Basic Electronics - Краткое руководство

Базовая электроника - Материалы

Материя состоит из молекул, которые состоят из атомов. Согласно теории Бора, «атом состоит из положительно заряженного ядра и ряда отрицательно заряженных электронов, которые вращаются вокруг ядра на различных орбитах». Когда электрон поднимается из более низкого состояния в более высокое состояние, он называется возбужденным . При возбуждении, если электрон полностью удаляется из ядра, говорят, что атом ионизирован. Итак, процесс подъема атома из нормального состояния в это ионизированное состояние называется ионизацией .

На следующем рисунке показана структура атома.

Структура атома

Согласно модели Бора, говорят, что электрон движется по определенной орбите , тогда как согласно квантовой механике электрон считается где-то в свободном пространстве атома, называемом орбиталью . Эта теория квантовой механики оказалась правильной. Следовательно, трехмерная граница, где электрон, вероятно, найден, называется атомной орбиталью .

Квантовые числа

Каждая орбита, по которой движется электрон, отличается своей энергией и формой. Энергетические уровни орбиталей могут быть представлены с использованием дискретного набора интегралов и половинных интегралов, известных как квантовые числа. Для определения волновой функции используются четыре квантовых числа.

Основное квантовое число

Первое квантовое число, которое описывает электрон, является главным квантовым числом . Его символ n . Он определяет размер или порядок (уровень энергии) числа. При увеличении значения n среднее расстояние от электрона до ядра также увеличивается, а энергия электрона также увеличивается. Основной энергетический уровень можно понимать как оболочку.

Angular Квантовое число

Это квантовое число имеет символ l . Это l указывает на форму орбиты. Он варьируется от 0 до n-1.

l = 0, 1, 2… n-1

Для первой оболочки n = 1.

т.е. для n-1, l = 0 - единственно возможное значение l при n = 1.

Итак, когда l = 0, это называется S- орбиталью. Форма S сферическая. Следующий рисунок представляет форму S.

сферический

Если n = 2, то l = 0, 1, поскольку это два возможных значения для n = 2.

Мы знаем, что это S-орбиталь для l = 0, но если l = 1, это P- орбиталь.

P-орбиталь, где электроны с большей вероятностью обнаружат, имеет форму гантели . Это показано на следующем рисунке.

гантель

Магнитное Квантовое число

Это квантовое число обозначается через m l, которое представляет ориентацию орбитали вокруг ядра. Значения m l зависят от l.

$$ m_ {l} = \ int (-l \: \: to \: + l) $$

Для l = 0, m l = 0 это представляет S-орбиталь.

Для l = 1, m l = -1, 0, +1 это три возможных значения, и это представляет P-орбиталь.

Следовательно, у нас есть три P-орбитали, как показано на следующем рисунке.

орбитали

Спин Квантовое число

Это представлено m s, и электрон здесь вращается на оси. Движение вращающегося электрона может быть либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, как показано здесь ниже.

Квантовое число спина

Возможные значения этого спинового квантового числа будут такими,

$$ m_ {s} = + \ frac {1} {2} \: \: up $$

Для движения, называемого раскруткой, результат равен половине.

$$ m_ {s} = - \ frac {1} {2} \: \: вниз $$

Для движения, называемого вращением вниз, результат будет отрицательным.

Это четыре квантовых числа.

Принцип исключения Паули

Согласно принципу исключения Паули, никакие два электрона в атоме не могут иметь одинаковый набор из четырех одинаковых квантовых чисел . Это означает, что если любые два электрона имеют одинаковые значения n, s, ml (как мы только что обсуждали выше), то значение l определенно будет отличаться в них. Следовательно, никакие два электрона не будут иметь одинаковую энергию.

Электронные оболочки

Если n = 1 является оболочкой, то l = 0 является вложенной оболочкой.

Аналогично, n = 2 является оболочкой, а l = 0, 1 является вложенной оболочкой.

Оболочки электронов, соответствующие n = 1, 2, 3… .., представлены K, L, M, N соответственно. Подоболочки или орбитали, соответствующие l = 0, 1, 2, 3 и т. Д., Обозначены s, p, d, f и т. Д. Соответственно.

Электронные оболочки

Давайте посмотрим на электронные конфигурации углерода, кремния и германия (группа IV - A).

группы

Наблюдается, что самая внешняя p-оболочка в каждом случае содержит только два электрона. Но возможное количество электронов составляет шесть. Следовательно, в каждой внешней самой оболочке есть четыре валентных электрона . Итак, каждый электрон в атоме имеет удельную энергию. Расположение атомов внутри молекул в любом веществе почти такое же. Но расстояние между атомами отличается от материала к материалу.

Базовая электроника - энергетические полосы

В газообразных веществах расположение молекул не близко. В жидкостях молекулярное расположение умеренное. Но в твердых телах молекулы расположены настолько близко, что электроны в атомах молекул имеют тенденцию перемещаться в орбитали соседних атомов. Следовательно, электронные орбитали перекрываются, когда атомы собираются вместе.

Из-за перемешивания атомов в твердых телах вместо отдельных энергетических уровней будут образовываться полосы энергетических уровней. Эти наборы уровней энергии, которые плотно упакованы, называются энергетическими полосами .

Valance Band

Электроны движутся в атомах на определенных энергетических уровнях, но энергия электронов в самой внутренней оболочке выше, чем в самой внешней оболочке электронов. Электроны, которые присутствуют в самой внешней оболочке, называются Электронами Валанса .

Эти валентные электроны, содержащие ряд энергетических уровней, образуют энергетическую зону, которая называется валентной зоной. Валентная зона - это полоса, имеющая наибольшую занятую энергию .

Зона проводимости

Валентные электроны настолько слабо связаны с ядром, что даже при комнатной температуре лишь немногие из валентных электронов покидают зону, чтобы быть свободными. Они называются свободными электронами, так как они имеют тенденцию двигаться к соседним атомам.

Эти свободные электроны являются теми, которые проводят ток в проводнике и, следовательно, называются электронами проводимости . Зона, которая содержит электроны проводимости, называется зоной проводимости. Зона проводимости - это зона с наименьшей занимаемой энергией .

Запрещенный пробел

Разрыв между валентной зоной и зоной проводимости называется запрещенной энергетической щелью . Как следует из названия, эта группа запрещена без энергии. Следовательно, электрон не остается в этой полосе. Валентные электроны, переходя в зону проводимости, проходят через это.

Запрещенная энергетическая щель, если она больше, означает, что электроны валентной зоны тесно связаны с ядром. Теперь, чтобы вытолкнуть электроны из валентной зоны, требуется некоторая внешняя энергия, которая была бы равна запрещенной запрещенной зоне.

На следующем рисунке показана зона валентности, зона проводимости и запрещенная зона.

Запретный разрыв

В зависимости от размера запрещенной зоны образуются изоляторы, полупроводники и проводники.

Изоляторы

Изоляторы - это такие материалы, в которых проводимость не может иметь место из-за большого запрещенного зазора. Примеры: Дерево, Резина. Структура энергетических зон в изоляторах показана на следующем рисунке.

Изоляторы

Характеристики

Ниже приведены характеристики изоляторов.

  • Запрещенная энергетическая щель очень велика.

  • Электроны зоны валентности тесно связаны с атомами.

  • Значение запрещенной запрещенной зоны для изолятора будет составлять 10 эВ.

  • Для некоторых изоляторов при повышении температуры они могут показывать некоторую проводимость.

  • Удельное сопротивление изолятора будет порядка 107 Ом.

Полупроводники

Полупроводники - это такие материалы, в которых запрещенная энергетическая щель мала, и проводимость происходит, если приложена некоторая внешняя энергия. Примеры: кремний, германий. На следующем рисунке показана структура энергетических зон в полупроводниках.

Полупроводники

Характеристики

Ниже приведены характеристики полупроводников.

  • Запрещенная энергетическая щель очень мала.

  • Запрещенная щель для Ge составляет 0,7 эВ, тогда как для Si - 1,1 эВ.

  • Полупроводник на самом деле не является ни изолятором, ни хорошим проводником.

  • С ростом температуры проводимость полупроводника увеличивается.

  • Проводимость полупроводника будет порядка 102 МОм.

Проводники

Проводники - это такие материалы, в которых запрещенная запрещенная зона исчезает по мере того, как валентная зона и зона проводимости становятся очень близкими и перекрываются. Примеры: Медь, Алюминий. На следующем рисунке показана структура энергетических зон в проводниках.

Проводники

Характеристики

Ниже приведены характеристики проводников.

  • В проводнике нет запрещенного зазора.

  • Зона валанса и зона проводимости перекрываются.

  • Свободных электронов для проводимости достаточно.

  • Небольшое увеличение напряжения, увеличивает проводимость.

  • Не существует концепции образования дырок, поскольку непрерывный поток электронов вносит ток.

Важные условия

Здесь необходимо обсудить несколько важных терминов, прежде чем мы перейдем к последующим главам.

Текущий

Это просто поток электронов. Непрерывный поток электронов или заряженных частиц можно назвать током. На это указывает я или я . Измеряется в амперах . Это может быть переменный ток постоянного или постоянного тока.

вольтаж

Это разность потенциалов. Когда возникает разность потенциалов между двумя точками, говорят, что существует разность напряжений, измеренная между этими двумя точками. На это указывает V. Измеряется в вольтах .

сопротивление

Это свойство противодействия потоку электронов. Владение этим свойством можно назвать сопротивлением. Это будет обсуждаться позже подробно.

Закон Ома

С условиями, обсужденными выше, у нас есть стандартный закон, который очень важен для поведения всех электронных компонентов, названный Законом Ома. Это устанавливает связь между током и напряжением в идеальном проводнике.

Согласно закону Ома, разность потенциалов на идеальном проводнике пропорциональна току, проходящему через него.

$$ V \: \ альфа \: \: I $$

Идеальный проводник не имеет сопротивления. Но на практике каждый проводник имеет некоторое сопротивление. По мере увеличения сопротивления падение потенциала также увеличивается и, следовательно, увеличивается напряжение.

Следовательно, напряжение прямо пропорционально сопротивлению, которое оно предлагает .

$$ V \: \ альфа \: \: R $$

$$ V = IR $$

Но ток обратно пропорционален сопротивлению .

$$ V \: \ альфа \: \: Я \: \ альфа \: \: \ гидроразрыва {1} {R} $$

$$ I = V / R $$

Следовательно, на практике закон Ома можно сформулировать как

Согласно закону Ома, ток, протекающий через проводник, пропорционален разности потенциалов через него и обратно пропорционален сопротивлению, которое он предлагает.

Этот закон полезен при определении значений неизвестных параметров среди трех, которые помогают анализировать схему.

Базовая электроника - полупроводники

Полупроводник - это вещество, сопротивление которого лежит между проводниками и изоляторами. Свойство удельного сопротивления не единственное, которое определяет материал как полупроводник, но оно обладает следующими свойствами:

  • Полупроводники имеют удельное сопротивление, которое меньше, чем у изоляторов, и больше, чем у проводников.

  • Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент. Сопротивление в полупроводниках возрастает с понижением температуры и наоборот.

  • Проводящие свойства полупроводника изменяются, когда к нему добавляется подходящая металлическая примесь, что является очень важным свойством.

Полупроводниковые приборы широко используются в области электроники. Транзистор заменил громоздкие вакуумные трубки, из-за чего размер и стоимость устройств уменьшились, и эта революция продолжала увеличивать свои темпы, приводя к новым изобретениям, таким как интегрированная электроника. На следующем рисунке показана классификация полупроводников.

Полупроводниковая классификация

Проводимость в полупроводниках

Получив некоторые знания об электронах, мы узнали, что во внешней оболочке имеются валентные электроны, которые слабо связаны с ядром. Такой атом, имеющий валентные электроны при приближении к другому атому, валентные электроны обоих этих атомов объединяются, образуя « электронные пары ». Эта связь не очень сильна и, следовательно, это ковалентная связь .

Например, атом германия имеет 32 электрона. 2 электрона на первой орбите, 8 на второй орбите, 18 на третьей орбите и 4 на последней орбите. Эти 4 электрона являются валентными электронами атома германия. Эти электроны имеют тенденцию соединяться с валентными электронами соседних атомов, образуя электронные пары, как показано на следующем рисунке.

кондукция

Создание дыры

Из-за тепловой энергии, подаваемой в кристалл, некоторые электроны стремятся сместиться со своего места и разорвать ковалентные связи. Эти разрушенные ковалентные связи приводят к свободным электронам, которые блуждают случайным образом. Но удаленные электроны создают пустое пространство или валентность позади, которая называется дырой .

Эту дыру, которая представляет отсутствующий электрон, можно рассматривать как единичный положительный заряд, а электрон - как единичный отрицательный заряд. Освобожденные электроны движутся случайно, но когда какое-то внешнее электрическое поле приложено, эти электроны движутся в направлении, противоположном приложенному полю. Но дыры, созданные из-за отсутствия электронов, движутся в направлении приложенного поля.

Отверстие тока

Уже понятно, что при разрыве ковалентной связи создается дыра. На самом деле, в полупроводниковом кристалле наблюдается сильная тенденция к образованию ковалентной связи. Итак, дыра не имеет тенденцию существовать в кристалле. Это может быть лучше понято на следующем рисунке, на котором показана полупроводниковая кристаллическая решетка.

Отверстие тока

Электрон, когда его смещают с места А, образуется дырка. Из-за склонности к образованию ковалентной связи электрон из B сдвигается в A. Теперь, снова, чтобы сбалансировать ковалентную связь в B, электрон перемещается из C в B. Это продолжает строить путь. Это движение дыры при отсутствии приложенного поля является случайным. Но когда прикладывается электрическое поле, отверстие дрейфует вдоль приложенного поля, которое составляет ток отверстия . Это называется током дырок, а не током электронов, потому что движение дырок способствует потоку тока.

Электроны и дырки, находясь в случайном движении, могут сталкиваться друг с другом, образуя пары. Эта рекомбинация приводит к выделению тепла, которое разрывает другую ковалентную связь. Когда температура увеличивается, скорость генерации электронов и дырок увеличивается, таким образом, увеличивается скорость рекомбинации, что приводит к увеличению плотности электронов и дырок. В результате проводимость полупроводника увеличивается, а удельное сопротивление уменьшается, что означает отрицательный температурный коэффициент.

Внутренние полупроводники

Говорят, что полупроводник в его чрезвычайно чистой форме является внутренним полупроводником . Свойства этого чистого полупроводника следующие:

  • Электроны и дырки создаются исключительно тепловым возбуждением.
  • Количество свободных электронов равно числу дырок.
  • Способность проводимости мала при комнатной температуре.

Чтобы увеличить проводящую способность собственного полупроводника, лучше добавить некоторые примеси. Этот процесс добавления примесей называется допингом . Теперь этот легированный собственный полупроводник называется Внешним полупроводником.

Легирование

Процесс добавления примесей в полупроводниковые материалы называется легированием. Добавляемые примеси, как правило, представляют собой пятивалентные и трехвалентные примеси.

Пятивалентные примеси

  • Пятивалентные примеси - это те, которые имеют пять валентных электронов на самой внешней орбите. Пример: висмут, сурьма, мышьяк, фосфор

  • Пятивалентный атом называется донорным атомом, потому что он жертвует один электрон в зону проводимости чистого атома полупроводника.

Трехвалентные примеси

  • Трехвалентные примеси - это те, которые имеют три валентных электрона на самой внешней орбите. Пример: галлий, индий, алюминий, бор

  • Трехвалентный атом называется акцептором, потому что он принимает один электрон от атома полупроводника.

Внешний полупроводник

Нечистый полупроводник, который образуется путем легирования чистого полупроводника, называется внешним полупроводником . Существует два типа внешних полупроводников в зависимости от типа добавляемой примеси. Это внешний полупроводник N-типа и внешний полупроводник P-типа.

Внешний полупроводник N-типа

Небольшое количество пятивалентной примеси добавляется к чистому полупроводнику для получения внешнего полупроводника N-типа. Добавленная примесь имеет 5 валентных электронов.

Например, если атом мышьяка добавляется к атому германия, четыре валентных электрона присоединяются к атомам Ge, а один электрон остается в качестве свободного электрона. Это показано на следующем рисунке.

Внешний тип N полупроводника

Все эти свободные электроны составляют электронный ток. Следовательно, примесь при добавлении в чистый полупроводник обеспечивает электроны для проводимости.

  • В внешнем полупроводнике N-типа, поскольку проводимость происходит через электроны, электроны являются основными носителями, а дырки являются миноритарными носителями.

  • Поскольку нет добавления положительных или отрицательных зарядов, электроны электрически нейтральны.

  • Когда электрическое поле прикладывается к полупроводнику N-типа, к которому добавляется пятивалентная примесь, свободные электроны движутся к положительному электроду. Это называется отрицательной или N-типа проводимости.

Внешний полупроводник P-типа

Небольшое количество трехвалентной примеси добавляется к чистому полупроводнику для получения внешнего полупроводника P-типа. Добавленная примесь имеет 3 валентных электрона. Например, если атом бора добавлен к атому германия, три валентных электрона присоединяются к атомам Ge, образуя три ковалентные связи. Но еще один электрон в германии остается без образования какой-либо связи. Поскольку в боре не осталось электрона, образующего ковалентную связь, пространство рассматривается как дырка. Это показано на следующем рисунке.

P тип Внешний полупроводник

Примесь бора при добавлении в небольшом количестве обеспечивает ряд отверстий, которые помогают в проводимости. Все эти отверстия составляют ток отверстия.

  • В внешнем полупроводнике P-типа, поскольку проводимость проходит через дырки, дырки являются основными носителями, а электроны - миноритарными.

  • Добавленная здесь примесь обеспечивает дырки, которые называются акцепторами , потому что они принимают электроны от атомов германия.

  • Поскольку число подвижных дырок остается равным количеству акцепторов, полупроводник P-типа остается электрически нейтральным.

  • Когда электрическое поле прикладывается к полупроводнику P-типа, к которому добавляется трехвалентная примесь, дырки движутся в направлении отрицательного электрода, но медленнее, чем электроны. Это называется проводимостью P-типа.

  • В этой проводимости P-типа валентные электроны переходят от одной ковалентной связи к другой, в отличие от N-типа.

Почему кремний предпочитают в полупроводниках?

Среди полупроводниковых материалов, таких как германий и кремний, широко используемым материалом для изготовления различных электронных компонентов является кремний (Si) . Кремний предпочтительнее германия по многим причинам, таким как -

  • Ширина запрещенной зоны составляет 0,7 эВ, тогда как для германия она равна 0,2 эВ.

  • Генерация тепловой пары меньше.

  • Кремний легко образует слой SiO2, что способствует изготовлению многих компонентов наряду с технологией интеграции.

  • Si легче найти в природе, чем Ge.

  • Шум в компонентах из Si меньше, чем в Ge.

Следовательно, кремний используется в производстве многих электронных компонентов, которые используются для создания различных схем для различных целей. Эти компоненты имеют индивидуальные свойства и особенности использования.

Основные электронные компоненты включают в себя - резисторы, переменные резисторы, конденсаторы, переменные конденсаторы, индукторы, диоды, туннельные диоды, варакторные диоды, транзисторы, BJT, UJT, FET, MOSFET, LDR, светодиоды, солнечные элементы, термистор, варистор, трансформатор, переключатели. реле и пр.

Базовая электроника - эффект Холла

Эффект Холла был назван в честь Эдвина Холла , его первооткрывателя. Это несколько похоже на правило правой руки Флеминга. Когда токопроводящий проводник I помещается в поперечное магнитное поле B , электрическое поле E наводится в проводнике, перпендикулярном как I, так и B. Это явление называется эффектом Холла .

объяснение

Когда токонесущий проводник помещается в поперечное магнитное поле, то это магнитное поле оказывает некоторое давление на электроны, которые выбирают искривленный путь, чтобы продолжить свое путешествие. Проводник с приложенной энергией показан на следующем рисунке. Магнитное поле также указано.

Магнитное поле

Поскольку электроны проходят через проводник, который лежит в магнитном поле B, электроны будут испытывать магнитную силу. Эта магнитная сила заставит электроны перемещаться ближе к одной стороне, чем к другой. Это создает отрицательный заряд с одной стороны и положительный заряд с другой, как показано на следующем рисунке.

Отрицательный заряд

Такое разделение заряда создаст разницу напряжения, известную как напряжение Холла или ЭДС Холла . Напряжение накапливается до тех пор, пока электрическое поле не создаст электрическую силу на заряде, равную магнитной силе и противоположную ей. Этот эффект известен как эффект Холла .

Эффект Холла

$$ \ overrightarrow {Р- {магнитное}} \: \: = \: \: \ overrightarrow {Р- {электрический}} \: \: = \: \: д \: \: \ overrightarrow {V_ {D}} \ : \: \ overrightarrow {B}, \: \: = \: \: д \: \: \ overrightarrow {Е- {H}} $$

V D - скорость, которую испытывает каждый электрон

$ \ overrightarrow {E_ {H}} \: \: = \: \: \ overrightarrow {V_ {D}} \: \: \ overrightarrow {B} \: \: $, поскольку V = Ed

Где q = количество заряда

$ \ overrightarrow {B} $ = магнитное поле

$ \ overrightarrow {V_ {D}} $ = скорость дрейфа

$ \ overrightarrow {E_ {H}} $ = электрический эффект Холла

d = расстояние между плоскостями в проводнике (ширина проводника)

$$ V_ {H} \: \: = \: \: \ varepsilon_ {H} \: \: = \: \: \ overrightarrow {Е- {H}} \: \: д \: \: = \: \ : \ overrightarrow {V_ {D}} \: \: \ overrightarrow {B}, \: \: D $$

$$ \ varepsilon_ {H} \: \: = \: \: \ overrightarrow {V_ {D}} \: \: \ overrightarrow {B}, \: \: D $$

Это зал ЭДС

Пользы

Эффект Холла используется для получения информации о типе полупроводника, знаке носителей заряда, для измерения концентрации электронов или дырок и подвижности. Таким образом, мы также можем узнать, является ли материал проводником, изолятором или полупроводником. Он также используется для измерения плотности и мощности магнитного потока в электромагнитной волне.

Типы течений

Что касается типов токов в полупроводниках, необходимо обсудить два термина. Это диффузионный ток и ток дрейфа .

Диффузионный ток

Когда легирование сделано, происходит различие в концентрации электронов и дырок. Эти электроны и дырки имеют тенденцию диффундировать от более высокой концентрации плотности заряда к более низкому уровню концентрации. Поскольку они являются носителями заряда, они представляют собой ток, называемый диффузионным током .

Чтобы узнать об этом подробнее, рассмотрим материал N-типа и материал P-типа.

  • Материал N-типа имеет электроны в качестве основных носителей и несколько дырок в качестве неосновных носителей.

  • Материал P-типа имеет дырки в качестве основных носителей и немного электронов в качестве несущих.

Если эти два материала подведены слишком близко друг к другу, чтобы соединиться, то мало электронов из валентной зоны материала N-типа имеют тенденцию двигаться к материалу P-типа, а несколько дырок от валентной зоны материала P-типа имеют тенденцию двигаться к Материал N-типа. Область между этими двумя материалами, где происходит эта диффузия, называется областью истощения .

Текущие Типы

Следовательно, ток, образующийся вследствие диффузии этих электронов и дырок, без приложения какой-либо внешней энергии, можно назвать током диффузии .

Дрейфовый ток

Ток, образующийся в результате дрейфа (движения) заряженных частиц (электронов или дырок) из-за приложенного электрического поля, называется током дрейфа . На следующем рисунке поясняется дрейфовый ток, независимо от того, как применяется приложенное электрическое поле.

Дрейфовый ток

Величина тока зависит от приложенного заряда. Эта область дрейфа также влияет на ширину области истощения. Для обеспечения функционирования компонента в активной цепи этот ток дрейфа играет важную роль.

Базовая электроника - резисторы

Сопротивление - это слово, которое означает «противостоять». Сопротивление - это свойство противодействия потоку электронов в проводнике или полупроводнике. Резистор - это электронный компонент, который имеет свойство сопротивления.

Символ и Единицы

Символ для резистора показан ниже.

Символ резистора

Единицами сопротивления являются Ом , которые обозначены как Ом (Омега).

Формула для сопротивления

R = V / I

Где V - напряжение, а I - ток. Было бы действительно сложно изготовить резисторы с любым значением. Следовательно, выбираются несколько значений, а резисторы с такими значениями только изготавливаются. Они называются « Предпочтительными значениями ». На практике резисторы с близкими значениями выбираются в соответствии с необходимыми приложениями. Вот так выглядит практичный резистор -

резистор

Цветовая кодировка

Процесс, называемый цветовым кодированием , используется для определения значения сопротивления для резистора, как показано на рисунке выше. Резистор покрыт четырьмя цветными полосами, где каждый цвет определяет определенное значение. В приведенной ниже таблице показан список значений, которые указывает каждый цвет.

ЦВЕТ DIGIT МУЛЬТИПЛИКАТОРА ТОЛЕРАНТНОСТЬ
черный 0 10 0 = 1
коричневый 1 10 1 = 10 1
красный 2 10 2 = 100 2
апельсин 3 10 3 = 1000
желтый 4 10 4 = 10000
зеленый 5 10 5 = 100000 0,5
синий 6 10 6 = 1000000 0,25
Фиолетовый 7 10 7 = 10000000 0,1
Серый 8 10 8 = 100000000
белый 9 10 9 = 1000000000
Золото 10 -1 = 0,1 5
Серебряный 10 -2 = 0,01 10
(никто) 20

Первые две цветные полосы обозначают первую и вторую цифру значения, а третья цветная полоса обозначает множитель (количество добавленных нулей). Четвертая цветная полоса указывает значение допуска.

Допуск - это диапазон значений, до которого резистор может выдержать без разрушения. Это важный фактор. На следующем рисунке показано, как значение резистора определяется цветовым кодом.

Толерантность

Пять цветных полосных резисторов изготавливаются с допуском 2% и 1%, а также для других высокоточных резисторов. В этих пяти полосных резисторах первые три полосы представляют цифры, четвертая - множитель, а пятая - допуск.

Давайте посмотрим на пример, чтобы понять процесс кодирования цвета.

Пример 1 - Определите значение резистора с помощью цветового кода желтый, синий, оранжевый и серебристый.

Решение - значение желтого 4, синего 6, оранжевого 3, которое представляет множитель. Серебро составляет ± 10, что является значением допуска.

Следовательно, значение резистора составляет 46 × 10 3 = 46 кОм

Максимальное значение сопротивления для этого резистора

46 кОм или 46000 Ом + 10% = 46000 + 4600 = 50600 Ом = 50,6 кОм

Минимальное значение сопротивления для этого резистора

46 кОм или 46000 Ом - 10% = 46000 - 4600 = 41400 Ом = 41,4 кОм

Изучив различные детали, касающиеся резисторов, мы должны изучить некоторые термины. Также нам приходится иметь дело с различным поведением резистора для нескольких типов соединений.

Важные условия

Есть несколько терминов, которые мы должны обсудить, прежде чем перейти к типу резисторов, которые у нас есть. На данном этапе нужно познакомиться с этими терминами и понять их по мере нашего дальнейшего развития.

сопротивление

Сопротивление - это свойство резистора, который противодействует протеканию тока. Когда переменный ток проходит через сопротивление, возникает падение напряжения, синфазное с током.

  • Индикация - Р

  • Единицы - Ом

  • Символ - Ω

Наряду с сопротивлением существуют и другие важные термины, называемые реактивным сопротивлением и сопротивлением.

реактанс

Сопротивление, предлагаемое переменному току из-за емкостей и индуктивностей, присутствующих в цепи, можно понимать как реактивное сопротивление. Когда переменный ток проходит через чистое реактивное сопротивление, возникает падение напряжения, которое на 90 ° не соответствует фазе с током.

В зависимости от фазы, то есть + 90 ° или -90 °, реактивное сопротивление можно назвать индуктивным или емкостным сопротивлением.

  • Индикация - Х

  • Единицы - Ом

  • Символ - Ω

полное сопротивление

Импеданс - это эффективное сопротивление переменному току, возникающее в результате комбинированного воздействия омического сопротивления и реактивного сопротивления. Когда переменный ток проходит через полное сопротивление, возникает падение напряжения, которое находится между фазой от 0 ° до 90 ° и не соответствует фазе.

  • Индикация - я

  • Единицы - Ом

  • Символ - Ω

проводимость

Это способность материала проводить электричество. Это ответное сопротивление.

  • Индикация - G

  • Единицы - Мос

  • Символ -

Схемные соединения в резисторах

Резистор при подключении в цепи, это соединение может быть последовательным или параллельным. Давайте теперь узнаем, что произойдет с суммарными значениями тока, напряжения и сопротивления, если они будут соединены последовательно, а также при параллельном соединении.

Резисторы в серии

Давайте посмотрим, что происходит, когда несколько последовательно соединенных резисторов. Рассмотрим три резистора с разными значениями, как показано на рисунке ниже.

Резисторы в серии

сопротивление

Общее сопротивление цепи, имеющей последовательные резисторы, равно сумме отдельных сопротивлений. Это означает, что на приведенном выше рисунке три резистора имеют значения 1 кОм, 5 кОм и 9 кОм соответственно.

Общее значение сопротивления резисторной сети составляет -

$$ R \: \: = \: \: R_ {1} \ + \: R_ {2} \ + \: R_ {3} $$

Это означает, что 1 + 5 + 9 = 15 кОм - это полное сопротивление.

Где R 1 - это сопротивление 1- го резистора, R 2 - это сопротивление 2- го резистора, а R 3 - это сопротивление 3- го резистора в вышеуказанной сети резисторов.

вольтаж

Общее напряжение, которое появляется в сети последовательных резисторов, является суммой падений напряжения на каждом отдельном сопротивлении. На рисунке выше у нас есть три разных резистора, которые имеют три разных значения падения напряжения на каждой ступени.

Общее напряжение, которое появляется на цепи -

$$ V \: \: = \: \: V_ {1} \ + \: V_ {2} \ + \: V_ {3} $$

Это означает, что 1 В + 5 В + 9 В = 15 В - это общее напряжение.

Где V 1 - падение напряжения 1- го резистора, V 2 - падение напряжения 2- го резистора, а V 3 - падение напряжения 3- го резистора в вышеуказанной сети резисторов.

Текущий

Общее количество тока, протекающего через набор последовательно включенных резисторов, одинаково во всех точках сети резисторов. Следовательно, ток равен 5А при измерении на входе или в любой точке между резисторами или даже на выходе.

Ток через сеть -

$$ I \: \: = \: \: I_ {1} \: = \: I_ {2} \: = \: I_ {3} $$

Это означает, что ток во всех точках составляет 5А.

Где I 1 - ток через 1- й резистор, I 2 - ток через 2- й резистор, а I 3 - ток через 3- й резистор в вышеуказанной сети резисторов.

Параллельные резисторы

Давайте посмотрим, что происходит, когда несколько резисторов подключены параллельно. Рассмотрим три резистора с разными значениями, как показано на рисунке ниже.

Параллельные резисторы

сопротивление

Полное сопротивление цепи, имеющей параллельные резисторы, рассчитывается иначе, чем метод последовательных резисторных сетей. Здесь обратное (1 / R) значение отдельных сопротивлений складывается с обратной величиной алгебраической суммы, чтобы получить общее значение сопротивления.

Общее значение сопротивления резисторной сети составляет -

$$ \ гидроразрыва {1} {R}, \: \: = \: \: \ гидроразрыва {1} {R_ {1}} \: \ + \: \: \ гидроразрыва {1} {R_ {2}} \: \ + \ гидроразрыва {1} {R_ {3}} $$

Где R 1 - это сопротивление 1- го резистора, R 2 - это сопротивление 2- го резистора, а R 3 - это сопротивление 3- го резистора в вышеуказанной сети резисторов.

Например, если рассматриваются значения сопротивления предыдущего примера, это означает, что R 1 = 1 кОм, R 2 = 5 кОм и R 3 = 9 кОм. Общее сопротивление параллельной резисторной сети составит -

$$ \ гидроразрыва {1} {R}, \: \: = \: \: \ гидроразрыва {1} {1} \: \ + \: \: \ гидроразрыва {1} {5} \: \ + \ гидроразрыва {1} {9} $$

$$ = \: \: \ гидроразрыва {45 \: \ + \: \: 9 \: \ + \: \: 5} {45} \: \: = \: \: \ гидроразрыва {59} { 45} $$

$$ R \: \: = \: \: \ гидроразрыва {45} {59} \: \: = \: \: 0.762K \ Omega \: \: = \: \: 76,2 \ Omega $$

Из метода расчета параллельного сопротивления мы можем вывести простое уравнение для двухрезисторной параллельной сети. Это -

$$ R \: \: = \: \: \ гидроразрыва {R_ {1} \: \: \ \ раз: \: R_ {2}} {R_ {1} \: \ + \: \: R_ { 2}} \ $$

вольтаж

Общее напряжение, которое появляется в сети параллельных резисторов, равно падению напряжения на каждом отдельном сопротивлении.

Напряжение, которое появляется на цепи -

$$ V \: \: = \: \: V_ {1} \: = \: V_ {2} \: = \: V_ {3} $$

Где V 1 - падение напряжения 1- го резистора, V 2 - падение напряжения 2- го резистора, а V 3 - падение напряжения 3- го резистора в вышеуказанной сети резисторов. Следовательно, напряжение одинаково во всех точках параллельной сети резисторов.

Текущий

Общая величина тока, поступающего в параллельную резистивную сеть, является суммой всех отдельных токов, протекающих во всех параллельных ветвях. Значение сопротивления каждой ветви определяет значение тока, протекающего через нее. Общий ток через сеть

$$ I \: \: = \: \: I_ {1} \ + \: I_ {2} \ + \: I_ {3} $$

Где I 1 - ток через 1- й резистор, I 2 - ток через 2- й резистор, а I 3 - ток через 3- й резистор в вышеуказанной сети резисторов. Следовательно, сумма отдельных токов в разных ветвях позволяет получить общий ток в параллельной резистивной сети.

Резистор особенно используется в качестве нагрузки на выходе многих цепей. Если резистивная нагрузка вообще не используется, перед нагрузкой устанавливается резистор. Резистор обычно является основным компонентом в любой цепи.

Basic Electronics - Нелинейные резисторы

Существует много типов резисторов в зависимости от типа используемого материала, процедуры изготовления и их применения. Классификация показана ниже.

Типы резисторов

Линейные резисторы имеют линейные характеристики VI, а нелинейные резисторы имеют нелинейные характеристики VI. Нелинейные резисторы - это резисторы, характеристики напряжения и тока которых изменяются нелинейно. Значения напряжения и тока варьируются в зависимости от других факторов, таких как температура и свет, но они могут быть не линейными.

термистор

Термическое означает температуру. В этом резисторе сопротивление изменяется в зависимости от температуры. Если тепло увеличивается, сопротивление уменьшается, и наоборот. Это используется для целей измерения и контроля.

Основными типами термисторов являются NTC и PTC .

  • NTC является отрицательным температурным коэффициентом, и в таких устройствах сопротивление уменьшается с ростом температуры. Они используются для защиты устройств от перенапряжения.

  • PTC - это положительный температурный коэффициент, и в таких устройствах сопротивление увеличивается с ростом температуры. Они используются для защиты устройств от перегрузки по току.

На следующем рисунке показан термистор NTC вместе с его символом.

термистор

Фото резистор

Фотография означает свет. В этом резисторе сопротивление изменяется со светом. По мере увеличения света сопротивление уменьшается и наоборот. Это также используется в целях измерения и контроля. Он также называется LDR (светозависимый резистор)

Фото резистор

Варисторы

Сопротивление варистора зависит от приложенного напряжения. Когда напряжение увеличивается, сопротивление уменьшается, и если напряжение уменьшается, сопротивление увеличивается. Он также называется VDR (резистор, зависящий от напряжения).

Варисторы

Поверхностный монтаж

Они широко используются с момента внедрения технологии поверхностного монтажа. Их можно назвать резисторами чипа , что означает резистивный слой, встроенный в керамический чип.

Эти поверхностные резисторы очень малы по сравнению с обычными резисторами и поэтому занимают меньше места. Они эффективны и рассеивают меньше тепла. Изобретение этих резисторов изменило внешний вид печатной платы и значительно уменьшило ее размер.

Преимущества резисторов поверхностного монтажа -

  • Они компактны по размеру.
  • Это очень стабильно.
  • У них хорошая терпимость.
  • Они эффективны в уменьшении тепловыделения.

На следующем рисунке показаны изображения резисторов для поверхностного монтажа.

Поверхностный монтаж

Базовая электроника - линейные резисторы

Линейный резистор - это резистор, сопротивление которого не меняется в зависимости от протекающего через него тока. Ток, проходящий через него, всегда будет пропорционален напряжению, приложенному к нему. Линейные резисторы также классифицируются как постоянные и переменные резисторы .

Переменные резисторы

Переменные резисторы - это те, чьи значения можно изменять вручную в соответствии с требованием. Конкретное значение сопротивления выбирается из диапазона значений сопротивления с помощью соединенного вала. Символ переменного резистора показан ниже.

Переменные резисторы

Эти резисторы лучше понять с помощью нашей классификации. Переменные резисторы делятся на потенциометры, реостаты и триммеры.

Типы переменных резисторов

Потенциометр

Потенциометр просто называется горшком . Это трехконтактный резистор с валом, который скользит или вращается. Этот вал при работе образует регулируемый делитель напряжения. На следующем рисунке показано изображение потенциометра.

Потенциометр

Потенциометр также измеряет разность потенциалов (напряжение) в цепи. Путь из резистивного материала с сопротивлением от низкого до высокого значения проложен внутри, а стеклоочиститель расположен так, что он соединяет резистивный материал с цепью. В основном это используется в качестве регулятора громкости в телевизорах и музыкальных системах.

реостат

Реостат можно просто назвать проволочным резистором. Резистивный провод плотно намотан на изолирующий керамический сердечник. Скребок скользит по этим обмоткам. Одно соединение выполнено на одном конце резистивного провода, а второе - на стеклоочистителе или скользящем контакте, чтобы получить желаемое сопротивление.

Реостат используется для контроля тока . В основном они используются для контроля скорости тяжелых двигателей. Полученное сопротивление составляет порядка килоом . Реостаты в основном доступны в виде однотрубных и двухтрубных реостатов, как показано на следующем рисунке.

реостат

В качестве переменного сопротивления они часто используются для настройки и калибровки в цепях. В настоящее время использование реостатов было заменено переключением электронных устройств, поскольку реостаты имеют более низкую эффективность.

триммер

Триммер является как переменным резистором, так и потенциометром (измеряет разницу потенциалов). Этот потенциометр триммера, короче говоря, называется триммером . Если они используются в качестве переменных резисторов, то они называются предварительно настроенными резисторами.

триммер

Эти отделочные горшки бывают разных типов, такие как однооборотные или многооборотные. Это небольшие переменные резисторы, используемые для настройки и калибровки. Срок их службы короче, чем у других переменных резисторов.

Basic Electronics - Фиксированные резисторы

Фиксированные резисторы - это один тип линейных резисторов. Резистор называется фиксированным резистором, если его значение является фиксированным. Значение фиксированного резистора нельзя изменять как переменный резистор, так как его значение определяется во время самого изготовления. Следующие цифры представляют символ фиксированного резистора.

Символ фиксированного резистора

Фиксированные резисторы подразделяются на различные типы, в зависимости от их производственных процессов и материалов, используемых в их производстве. Классификация выглядит следующим образом.

Типы фиксированных резисторов

Углеродный состав

Резисторы с углеродным составом представляют собой смесь углеродных частиц, графита и керамической пыли, смешанных со связующим веществом, таким как глина. Эта смесь обрабатывается при высоком давлении и температуре. После того, как все это отлито в футляр, провода фиксируются.

  • Тепловая масса резистора с углеродным составом выше, чтобы выдерживать импульсы высоких энергий.

  • Эти резисторы имеют низкую стабильность и высокий уровень шума, что является недостатком.

На следующем рисунке показано изображение углеродного композиционного резистора.

Углеродная композиция

Резисторы из углеродного состава используются в источниках защиты от перенапряжения, ограничения тока и высоковольтных источниках питания.

Проволочный

Резистор с намоткой на проволоку формируется намоткой проволоки из резистивного материала вокруг сердечника. Металлический сердечник действует как непроводящий материал, в то время как резистивный проводник проводит, но с некоторым сопротивлением. Изображение проволочного резистора показано на рисунке ниже.

Проволочная рана

Обычно для обмотки сердечника используется нихромовая или манганиновая проволока, поскольку они обладают высоким сопротивлением. Принимая во внимание, что пластмасса, керамика или стекло используются для ядра.

  • Проволочные резисторы очень точные.
  • Они отлично работают при низких значениях сопротивления и высокой номинальной мощности.

Это самый старый тип фиксированных резисторов, но они используются даже сейчас.

Толстая пленка

Пленочные резисторы имеют резистивный слой на керамическом основании, толщина которого определяет тип, к которому они принадлежат. Толщина резистивного слоя на толстопленочных резисторах намного выше, чем на тонкопленочных резисторах. Толстопленочные резисторы изготавливаются путем нанесения специальной подложки, представляющей собой смесь из стекла и оксидов металлов, на подложку.

Существуют три основных типа толстопленочных резисторов, такие как резисторы с плавким предохранителем, пленочные резисторы из кермета и пленочные резисторы из оксида металла.

Плавкие резисторы

Плавкие резисторы похожи на проволочные резисторы. Но эти резисторы, наряду с обеспечением сопротивления, действуют как предохранитель. Изображение плавкого резистора показано на рисунке ниже.

Плавкие резисторы

В этом резисторе ток протекает через подпружиненное соединение, которое расположено близко к корпусу резистора. Капля, прикрепленная к пружинному проводу резистора, отводит тепло, выделяемое резистором, из-за протекания тока. Если это тепло увеличивается, то прилипание к капле расплавляется и открывает соединение.

легкоплавкий

Следовательно, мы можем сказать, что эти резисторы ограничивают ток, но если номинальная мощность цепи превышает указанное значение, эти резисторы действуют как предохранитель для размыкания или размыкания цепи. Значение этих резисторов обычно составляет менее 10 Ом. Эти резисторы обычно используются в телевизорах, усилителях и других дорогих электронных схемах.

Кермет Пленочные Резисторы

Пленочные резисторы Cermet - это пленочные резисторы, изготовленные из специального материала Cermet . Кермет - это композитный сплав, изготовленный путем сочетания цеамина и металла . Эта комбинация обеспечивает преимущества обоих этих материалов, таких как жаропрочность и износостойкость керамики, а также гибкость и электропроводность металла.

металлокерамика

Слой металлической пленки оборачивается вокруг резистивного материала и фиксируется в керамической металлической или металлокерамической подложке. Выводы используются для облегчения соединения при монтаже на печатной плате. Они предлагают высокую стабильность, поскольку температура не может повлиять на их производительность.

Металлооксидные пленочные резисторы

Металлооксидный пленочный резистор формируется путем окисления толстой пленки хлорида олова на нагретом стеклянном стержне, который является подложкой. Они имеют высокую температурную стабильность и могут использоваться при высоких напряжениях. Эти резисторы имеют низкий уровень шума при работе.

Металлооксидный пленочный резистор

Металлооксидные пленочные резисторы отличаются от металлических пленочных только типом пленки с покрытием. Оксид металла представляет собой соединение металла, такого как олово с кислородом, с образованием оксида олова, который покрыт пленкой на резисторе. Удельное сопротивление этого резистора зависит от количества оксида сурьмы, добавляемого к оксиду олова .

Тонкая пленка

Тонкопленочные резисторы имеют резистивный слой шириной 0,1 микрометра или меньше на керамическом основании. Тонкопленочные резисторы имеют металлическую пленку, которая вакуумно осаждается на изолирующей подложке.

Тонкопленочные резисторы более точны, имеют лучший температурный коэффициент и более стабильны. Тонкопленочные резисторы делятся на два типа, такие как -

  • Карбоновые резисторы
  • Металлические пленочные резисторы

Карбоновый резистор

Углеродный пленочный резистор изготавливают путем нанесения слоя углеродной пленки на керамическую подложку. Углеродная пленка действует как резистивный материал к току, а керамическое вещество действует как изолирующее вещество. Металлические колпачки закреплены на обоих концах, а медные провода вытянуты.

На следующем рисунке показана конструкция резистора из углеродной пленки.

Тонкая пленка

Основными преимуществами этих резисторов являются их высокая стабильность, широкий рабочий диапазон, низкий уровень шума и низкая стоимость. Резисторы из углеродной пленки являются наиболее предпочтительными по сравнению с резисторами из углеродной композиции из-за их низкого уровня шума.

Металлические пленочные резисторы

Пленочное покрытие определяет разницу между металлооксидными пленочными резисторами и металлическими пленочными резисторами. Тонкая пленка металлического вещества, такого как никель-хром, используется для покрытия резистора в металлическом пленочном резисторе, тогда как пленка из оксида металла, такого как оксид олова, используется для покрытия резистора в резисторе из металлического оксида.

Металлические пленочные резисторы

Металлические пленочные резисторы имеют низкий температурный коэффициент сопротивления, что означает, что сопротивление меньше влияет на температуру.

ваттность

При использовании резистора, если ток увеличивается, резистор рассеивает тепло. Если это значение пересекает определенное критическое значение, резистор может быть поврежден. Номинальная мощность резистора напечатана на некоторых резисторах более высокого значения, чтобы избежать такой ситуации.

Мощность - это количество электроэнергии, выраженное в ваттах. Электроэнергия - это скорость передачи электрической энергии.

Мощность P = VI = I 2 R

Базовая электроника - конденсаторы

Конденсатор - это пассивный компонент, способный хранить энергию в форме разности потенциалов между его пластинами. Он сопротивляется внезапному изменению напряжения. Заряд хранится в виде разности потенциалов между двумя пластинами, которые формируются как положительные и отрицательные в зависимости от направления накопления заряда.

Между этими двумя пластинами имеется непроводящая область, которая называется диэлектриком . Этим диэлектриком может быть вакуум, воздух, слюда, бумага, керамика, алюминий и т. Д. Название конденсатора дается используемым диэлектриком.

Символ и Единицы

Стандартные единицы измерения емкости - это Фарады. Как правило, доступные значения конденсаторов будут в порядке микрофарад, пикофарад и нанофарадов. Символ конденсатора показан ниже.

Символ конденсатора

Емкость конденсатора пропорциональна расстоянию между пластинами и обратно пропорциональна площади пластин. Кроме того, чем выше диэлектрическая проницаемость материала, тем выше будет емкость. Диэлектрическая проницаемость среды описывает, сколько электрического потока генерируется за единицу заряда в этой среде. На следующем рисунке показаны некоторые практические конденсаторы.

Конденсаторы

Когда две пластины, имеющие одинаковую площадь A и равную ширину, размещены параллельно друг другу с разнесением на расстояние d, и если к пластинам приложена некоторая энергия, то емкость этого конденсатора с параллельными пластинами можно обозначить как -

$$ С \: \: = \: \: \ гидроразрыва {\ varepsilon_ {0} \: \: \ varepsilon_ {г} \: \: d} {A}, $$

где

C = емкость конденсатора

$ \ varepsilon_ {0} $ = диэлектрическая проницаемость свободного пространства

$ \ varepsilon_ {r} $ = диэлектрическая проницаемость диэлектрической среды

d = расстояние между пластинами

A = площадь двух проводящих пластин

Конденсатор с параллельными пластинами

При подаче некоторого напряжения заряд оседает на двух параллельных пластинах конденсатора. Это отложение заряда происходит медленно, и когда напряжение на конденсаторе равно приложенному напряжению, зарядка прекращается, так как входящее напряжение равно уходящему напряжению.

Скорость зарядки зависит от значения емкости. Чем больше значение емкости, тем медленнее скорость изменения напряжения в пластинах.

Работа конденсатора

Конденсатор можно понимать как пассивный компонент с двумя выводами, который накапливает электрическую энергию. Эта электрическая энергия накапливается в электростатическом поле.

Первоначально отрицательные и положительные заряды на двух пластинах конденсатора находятся в равновесии. Конденсатор не склонен заряжаться или разряжаться. Отрицательный заряд формируется накоплением электронов, а положительный заряд - истощением электронов. Поскольку это происходит без какого-либо внешнего заряда, это состояние электростатического состояния. На рисунке ниже показан конденсатор со статическим зарядом.

Конденсатор Рабочая

Накопление и истощение электронов в соответствии с различными положительными и отрицательными циклами подачи переменного тока можно понимать как «течение тока». Это называется Током Смещения . Направление этого потока тока постоянно меняется, так как это переменный ток.

Зарядка конденсатора

Когда дается внешнее напряжение, электрический заряд превращается в электростатический заряд. Это происходит во время зарядки конденсатора. Положительный потенциал источника притягивает электроны от положительной пластины конденсатора, делая его более положительным. Хотя отрицательный потенциал источника питания, заставляет электроны к отрицательной пластине конденсатора, делая его более отрицательным. Рисунок ниже объясняет это.

Зарядка конденсатора

Во время этого процесса зарядки электроны движутся через источник постоянного тока, но не через диэлектрик, который является изолятором . Это смещение велико, когда конденсатор начинает заряжаться, но уменьшается по мере зарядки. Конденсатор прекращает зарядку, когда напряжение на конденсаторе равно напряжению питания.

VI

Давайте посмотрим, что происходит с диэлектриком, когда конденсатор начинает заряжаться.

Диэлектрическое поведение

Когда заряды оседают на пластинах конденсатора, образуется электростатическое поле. Сила этого электростатического поля зависит от величины заряда на пластине и диэлектрической проницаемости диэлектрического материала. Диэлектрическая проницаемость - это мера диэлектрика, определяющая, насколько далеко он пропускает электростатические линии.

Диэлектрик на самом деле является изолятором. У него есть электроны на самой внешней орбите атомов. Давайте посмотрим, как они влияют. Когда на пластинах нет заряда, электроны в диэлектрике движутся по круговой орбите. Это показано на рисунке ниже.

диэлектрический

Когда происходит осаждение заряда, электроны стремятся двигаться к положительно заряженной пластине, но они продолжают вращаться, как показано на рисунке.

Диэлектрическое поведение

Если заряд увеличивается дальше, орбиты расширяются больше. Но если он все еще увеличивается, диэлектрик ломается, закорачивая конденсатор. Теперь, когда конденсатор полностью заряжен, он готов к разрядке. Достаточно, если мы дадим им путь от отрицательной до положительной пластины. Электроны текут без какого-либо внешнего источника, поскольку на одной стороне слишком много электронов, а на другой почти нет электронов. Этот дисбаланс регулируется разрядом конденсатора.

Кроме того, когда обнаружен путь разряда, атомы в диэлектрическом материале стремятся попасть на свою нормальную круговую орбиту и, следовательно, заставляют электроны разряжаться. Этот тип разряда позволяет конденсаторам подавать высокие токи за короткий промежуток времени, как при вспышке камеры.

Цветовая кодировка

Чтобы узнать значение конденсатора, его обычно помечают, как показано ниже:

n35 = 0,35 нФ или 3n5 = 3,5 нФ или 35 н = 35 нФ и так далее.

Иногда маркировка будет как 100K, что означает, k = 1000pF. Тогда значение будет 100 × 1000 пФ = 100 нФ.

Хотя эти цифровые обозначения используются в настоящее время, международная схема цветового кодирования была разработана давно, чтобы понять значения конденсаторов. Цветовая маркировка указана ниже.

Цвет полосы Цифра А и В мультипликатор Допуск (т)> 10 пф Допуск (т) <10 пф Температурный коэффициент
черный 0 × 1 ± 20% ± 2.0pF
коричневый 1 × 10 ± 1% ± 0.1pF -33 × 10 -6
красный 2 × 100 ± 2% ± 0.25pF -75 × 10 -6
апельсин 3 × 1000 ± 3% -150 × 10 -6
желтый 4 × 10 000 ± 4% -220 × 10 -6
зеленый 5 × 100 000 ± 5% ± 0.5pF -330 × 10 -6
синий 6 × 1,000000 -470 × 10 -6
Фиолетовый 7 -750 × 10 -6
Серый 8 × 0,01 + 80%, -20%
белый 9 × 0,1 ± 10% ± 1.0pF
Золото × 0,1 ± 5%
Серебряный × 0,01 ± 10%

Эти показания были использованы для определения стоимости конденсаторов.

Значение конденсатора

В этих пятиполосных конденсаторах первые две полосы представляют цифры, третья - множитель, четвертая - допуск, а пятая - напряжение. Давайте посмотрим на пример, чтобы понять процесс кодирования цвета.

Пример 1 - Определите значение конденсатора с помощью цветового кода желтый, фиолетовый, оранжевый, белый и красный.

Решение - значение желтого цвета равно 4, фиолетового цвета равно 7, оранжевого цвета равно 3, что представляет множитель. Белый - это ± 10, что является значением допуска. Красный представляет напряжение. Но чтобы узнать номинальное напряжение, мы получили другую таблицу, из которой должна быть известна конкретная полоса, к которой относится этот конденсатор.

Следовательно, значение конденсатора составляет 47 нФ, 10% 250 В (напряжение для диапазона V)

В следующей таблице показано, как определяется напряжение в зависимости от полос, к которым относятся конденсаторы.

Цвет полосы Номинальное напряжение (В)
ТИП J ТИП К ТИП L ТИП М ТИП N
черный 4 100 10 10
коричневый 6 200 100 1,6
красный 10 300 250 4 35
апельсин 15 400 40
желтый 20 500 400 6,3 6
зеленый 25 600 16 15
синий 35 700 630 20
Фиолетовый 50 800
Серый 900 25 25
белый 3 1000 2.5 3
Золото 2000
Серебряный

С помощью этой таблицы номинальное напряжение для каждой группы конденсаторов известно в соответствии с заданным цветом. Тип номинального напряжения также указывает тип конденсаторов. Например, TYPE J - это погруженные танталовые конденсаторы, TYPE K - это слюдяные конденсаторы, TYPE L - это полистирольные конденсаторы, TYPE M - это электролитические конденсаторы 4-й группы, а TYPE N - электролитические конденсаторы 3-й группы. В наши дни цветовое кодирование было заменено простой печатью значений конденсаторов, как упоминалось ранее.

Емкостная реактивность

Это важный термин. Емкостное реактивное сопротивление - это сопротивление конденсатора потоку переменного тока или просто переменному току. Конденсатор сопротивляется изменению потока тока, и, следовательно, он демонстрирует некоторую оппозицию, которую можно назвать реактивным сопротивлением , поскольку частоту входного тока также следует учитывать вместе с сопротивлением, которое он предлагает.

Символ: X C

В чисто емкостной цепи ток I C опережает приложенное напряжение на 90 °.

Температурный коэффициент конденсаторов

Максимальное изменение емкости конденсатора в указанном температурном диапазоне может быть известно по температурному коэффициенту конденсатора. В нем говорится, что, когда температура превышает определенную точку, изменение емкости конденсатора, которое может произойти, понимается как температурный коэффициент конденсаторов .

Все конденсаторы обычно изготавливаются с учетом эталонной температуры 25 ° C. Следовательно, температурный коэффициент конденсаторов рассматривается для значений температур, которые выше и ниже этого значения.

Схемные соединения в конденсаторах

В цепи конденсатор может быть подключен последовательно или параллельно. Если набор конденсаторов был подключен в цепи, тип подключения конденсатора имеет дело со значениями напряжения и тока в этой сети.

Конденсаторы в серии

Давайте посмотрим, что происходит, когда несколько конденсаторов подключены последовательно. Рассмотрим три конденсатора с разными значениями, как показано на рисунке ниже.

Конденсаторы серии

емкость

Когда рассматривается емкость сети, конденсаторы которой включены последовательно, обратная величина емкостей всех конденсаторов добавляется для получения обратной величины суммарной емкости. Чтобы получить это более ясно,

$$ \ гидроразрыва {1} {C_ {T}} \: \: = \: \: \ гидроразрыва {1} {C_ {1}} \: \ + \: \: \ гидроразрыва {1} {C_ { 2}} \: \ + \: \: \ гидроразрыва {1} {C_ {3}} $$

Следуя той же формуле, если просто два конденсатора соединены последовательно, то

$$ C_ {T}, \: \: = \: \: \ гидроразрыва {C_ {1} \: \: \ \ раз: \: C_ {2}} {C_ {1} \: \ + \: \ : C_ {2}} $$

Где C 1 - емкость на 1- м конденсаторе, C 2 - емкость на 2- м конденсаторе, а C 3 - емкость на 3- м конденсаторе в вышеуказанной сети.

вольтаж

Напряжение на каждом конденсаторе зависит от значения отдельных емкостей. Что значит

$$ V_ {С1} \: \: = \: \: \ гидроразрыва {Q_ {T}} {C_ {1}} \: \: V_ {С2} \: \: = \: \: \ гидроразрыва {Q_ {T}} {C_ {2}} \: \: V_ {С3} \: \: = \: \: \ гидроразрыва {Q_ {T}} {C_ {3}} $$

Общее напряжение на цепи последовательных конденсаторов,

$$ V_ {T}, \: \: = \: \: V_ {С1} \: \ + \: \: V_ {С2} \: \ + \: \: V_ {С3} $$

Где V c1 - это напряжение на 1- м конденсаторе, V c2 - это напряжение на 2- м конденсаторе, а V c3 - это напряжение на 3- м конденсаторе в вышеуказанной сети.

Текущий

Общее количество тока, протекающего через последовательно соединенные конденсаторы, одинаково во всех точках. Поэтому конденсаторы будут хранить одинаковое количество заряда независимо от значения их емкости.

Тока через сеть,

$$ I \: \: = \: \: I_ {1} \: \: = \: \: I_ {2} \: \: = \: \: I_ {3} $$

Где I 1 - ток через 1- й конденсатор, I 2 - ток через 2- й конденсатор, а I 3 - ток через 3- й конденсатор в вышеуказанной сети.

Поскольку ток одинаков, накопление заряда одинаково, потому что любая пластина конденсатора получает свой заряд от соседнего конденсатора, и, следовательно, конденсаторы последовательно будут иметь одинаковый заряд.

$$ Q_ {T}, \: \: = \: \: Q_ {1} \: \: = \: \: Q_ {2} \: \: = \: \: Q_ {3} $$

Конденсаторы параллельно

Давайте посмотрим, что происходит, когда несколько конденсаторов подключены параллельно. Рассмотрим три конденсатора с разными значениями, как показано на рисунке ниже.

Параллельные конденсаторы

емкость

Общая Емкость цепи эквивалентна сумме отдельных емкостей конденсаторов в сети.

$$ C_ {T}, \: \: = \: \: C_ {1} \: \ + \: \: C_ {2} \: \ + \: \: C_ {3} $$

Где C 1 - емкость на 1- м конденсаторе, C 2 - емкость на 2- м конденсаторе, а C 3 - емкость на 3- м конденсаторе в вышеуказанной сети.

вольтаж

Напряжение, измеренное в конце цепи, совпадает с напряжением на всех конденсаторах, соединенных в параллельную цепь.

$$ V_ {T}, \: \: = \: \: V_ {1} \: \: = \: \: V_ {2} \: \: = \: \: V_ {3} $$

Где V c1 - это напряжение на 1- м конденсаторе, V c2 - это напряжение на 2- м конденсаторе, а V c3 - это напряжение на 3- м конденсаторе в вышеуказанной сети.

Текущий

Общий протекающий ток равен сумме токов, протекающих через каждый конденсатор, подключенный к параллельной сети.

$$ I_ {T}, \: \: = \: \: I_ {1} \: \ + \: \: I_ {2} \: \ + \: \: I_ {3} $$

Где I 1 - ток через 1- й конденсатор, I 2 - ток через 2- й конденсатор, а I 3 - ток через 3- й конденсатор в вышеуказанной сети.

Basic Electronics - Переменные конденсаторы

Существует много типов конденсаторов в зависимости от их функции, используемого диэлектрического материала, их формы и т. Д. Основная классификация выполняется в соответствии с постоянными и переменными конденсаторами.

Типы конденсаторов

Классификация показана на следующем рисунке.

Типы конденсаторов

Основная классификация аналогична приведенной выше. Фиксированные конденсаторы - это те, чье значение фиксировано во время самого производства, а переменные дают нам возможность изменять значение емкости.

Переменные конденсаторы

Дайте нам знать кое-что о переменных конденсаторах, значение которых изменяется, когда вы меняете, электрически или механически . Переменные конденсаторы в целом состоят из переплетенных наборов металлических пластин, в которых одна закреплена, а другая является переменной. Эти конденсаторы обеспечивают значения емкости, которые варьируются от 10 до 500 пФ .

Переменные конденсаторы

Показанный здесь емкостный конденсатор представляет собой комбинацию двух конденсаторов, соединенных вместе. Один вал используется для вращения переменных концов этих конденсаторов, которые объединены в один. Пунктирная линия указывает, что они связаны внутри.

Существует много вариантов использования этих переменных резисторов, например, для настройки в LC-цепях радиоприемников, для согласования импедансов в антеннах и т. Д. Основными типами переменных конденсаторов являются настраивающие конденсаторы и конденсаторы триммера.

Тюнинг Конденсаторы

Настраиваемые конденсаторы являются популярным типом переменных конденсаторов. Они содержат статор, ротор, рамку для поддержки статора и конденсатор слюды. Детали конструкции настроечного конденсатора показаны на следующем рисунке.

Тюнинг Конденсаторы

Статор является неподвижной частью, и ротор вращается при движении подвижного вала. Пластины ротора при перемещении в пазы статора, они приближаются, чтобы сформировать пластины конденсатора. Когда пластины ротора полностью находятся в пазах статора, тогда значение емкости является максимальным, а если нет, то значение емкости является минимальным.

ротор

На приведенном выше рисунке показан настроечный конденсатор с двумя настраивающимися конденсаторами, соединенными в банду. Вот как работает настраивающий конденсатор. Эти конденсаторы обычно имеют значения емкости от нескольких пико-фарад до нескольких десятков пико-фарад. Они в основном используются в цепях LC в радиоприемниках. Они также называются настраивающими конденсаторами .

Триммерные конденсаторы

Триммерные конденсаторы меняются с помощью отвертки. Конденсаторы триммера обычно устанавливаются в таком месте, где нет необходимости изменять значение емкости после ее фиксации.

Есть три провода конденсатора триммера, один из которых подключен к неподвижной пластине, один - к вращающемуся, а другой - обычный. Подвижный диск имеет полукруглую форму. Конденсатор триммера будет выглядеть так, как показано на следующем рисунке.

Триммерные конденсаторы

Имеются две параллельные проводящие пластины с диэлектриком посередине. В зависимости от используемого диэлектрика существуют конденсаторы воздушного триммера и конденсаторы керамического триммера. Детали конструкции триммерного конденсатора показаны ниже.

строительство

Одна из двух пластин подвижна, а другая неподвижна. Диэлектрический материал является фиксированным. Когда подвижная пластина перемещается напротив области между подвижным и неподвижным электродом, тогда емкость можно изменять. Емкость будет выше, если противоположная область станет больше, поскольку оба электрода действуют как две пластины конденсатора.

Триммерные конденсаторы легко закрепляются на печатной плате и в основном используются для калибровки оборудования.

Basic Electronics - Фиксированные конденсаторы

Конденсаторы, стоимость которых фиксирована в процессе производства и не может быть изменена позже, называются Фиксированными конденсаторами . Основная классификация постоянных конденсаторов выполняется как поляризованные и неполяризованные. Давайте посмотрим на неполяризованные конденсаторы.

Неполяризованные конденсаторы

Это конденсаторы, которые не имеют определенной полярности , что означает, что они могут быть подключены в цепи, так или иначе, не заботясь о размещении правого и левого выводов. Эти конденсаторы также называются неэлектролитическими конденсаторами .

Основная классификация неполяризованных конденсаторов выполняется, как показано на следующем рисунке.

Неполяризованные конденсаторы

Среди типов конденсаторов давайте сначала рассмотрим керамические конденсаторы.

Керамические конденсаторы

Обычные конденсаторы, используемые среди фиксированного типа, представляют собой керамические конденсаторы. Керамические конденсаторы представляют собой фиксированные конденсаторы, которые имеют керамический материал в качестве диэлектрика.

Эти керамические конденсаторы также классифицируются как класс 1 и класс 2 в зависимости от их применения. Например, Class1 обладает высокой стабильностью и лучше всего работает в приложениях с резонансными контурами, в то время как Class2 обладает высокой эффективностью и дает наилучшие результаты для приложений связи.

Керамические конденсаторы

Полый трубчатый или пластинчатый керамический материал, такой как диоксид титана и титанат бария , покрыт осаждением соединения серебра на обеих стенках, так что обе стороны действуют как две пластины конденсатора, а керамика действует как диэлектрик. Отводы вытянуты с этих двух поверхностей, и вся эта сборка заключена во влагостойкое покрытие.

Наиболее часто используемые современные керамические конденсаторы - это многослойные чиповые конденсаторы ( MLCC ). Эти конденсаторы изготовлены по технологии поверхностного монтажа и в основном используются из-за их небольшого размера. Они доступны в порядке от 1 до 100 мкФ.

Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы - это те, которые имеют пленочное вещество в качестве диэлектрического материала. В зависимости от типа используемой пленки они классифицируются как бумажные и металлические пленочные конденсаторы.

Эти пленочные конденсаторы являются бумажными диэлектрическими конденсаторами, тогда как бумажный конденсатор использует вощеную бумагу, в то время как металлический пленочный конденсатор использует металлизированную бумагу. Расположение почти такое же, как показано ниже.

Пленочные конденсаторы

Бумажные конденсаторы

Бумажные конденсаторы используют бумагу в качестве диэлектрического материала. Два тонких листа оловянной фольги берут и помещают между тонкими вощеными или промасленными листами бумаги. Эта статья действует как диэлектрик. Современная бумага заменяется пластиковой.

Эти листы зажаты и свернуты в цилиндрическую форму и заключены в пластиковый корпус. Выводы вытянуты. На следующем рисунке показан пример бумажных конденсаторов.

Бумажные конденсаторы

Бумажные конденсаторы доступны в диапазоне от 0,001 мкФ до 2 мкФ, а номинальное напряжение может достигать 2000 вольт. Эти конденсаторы полезны в приложениях высокого напряжения и тока.

Металлические пленочные конденсаторы

Металлические пленочные конденсаторы - это другой тип пленочных конденсаторов. Их также называют конденсаторами из металлической фольги или металлизированными бумажными конденсаторами, поскольку используемый здесь диэлектрик представляет собой бумагу, покрытую металлической пленкой.

В отличие от бумажных конденсаторов, пленка из алюминия или цинка наносится на бумагу для формирования диэлектрика в этих металлических пленочных конденсаторах. Вместо размещения алюминиевых листов между бумагами, здесь непосредственно наносится бумага. Это уменьшает размер конденсатора.

Металлические пленочные конденсаторы

Алюминиевое покрытие предпочтительнее цинкового покрытия, чтобы избежать разрушения конденсатора из-за химического восстановления. Листы с алюминиевым покрытием прокатываются в форме цилиндра и выводятся. Все это герметизируется воском или пластиковой смолой для защиты конденсатора. Эти конденсаторы полезны в приложениях высокого напряжения и тока .

Другие конденсаторы

Это разные конденсаторы, которые названы в честь используемых диэлектрических материалов. В эту группу входят слюдяные конденсаторы, воздушные конденсаторы, вакуумные конденсаторы, стеклянные конденсаторы и т. Д.

Слюдяные конденсаторы

Конденсаторы слюды изготавливаются с использованием тонких листов слюды в качестве диэлектрических материалов. Точно так же, как бумажные конденсаторы, тонкие металлические листы зажаты между ними листами слюды. Наконец слои металлических листов соединяются на обоих концах и образуются два провода. Затем вся сборка заключена в пластиковую бакелитовую капсулу. На следующем рисунке показано, как выглядит конденсатор Mica.

Слюдяные конденсаторы

Конденсаторы слюды доступны в диапазоне от 50 до 500 пФ. Конденсаторы Mica имеют высокое рабочее напряжение до 500 вольт. Это наиболее часто используемые конденсаторы для электронных схем, таких как волновые фильтры, резонансные схемы, схемы связи и мощные высокочастотные радиочастотные радиовещательные передатчики.

Воздушные конденсаторы

Воздушные конденсаторы с воздушным диэлектриком . Простейшие воздушные конденсаторы с проводящими пластинами, между которыми находится воздух. Эта конструкция точно такая же, как конденсатор с регулируемой настройкой, который обсуждался выше. Эти конденсаторы могут быть как фиксированными, так и переменными, но фиксированные используются очень редко, поскольку существуют другие с превосходными характеристиками.

Вакуумные конденсаторы

Вакуумные конденсаторы используют высокий вакуум в качестве диэлектрика вместо воздуха или какого-либо другого материала. Они также доступны в фиксированном и переменном режимах. Конструкция этих конденсаторов аналогична вакуумным трубкам. Они в основном видны в виде стеклянных цилиндров, которые содержат концентрические концентрические цилиндры.

На следующем изображении показан переменный вакуумный конденсатор.

Воздушные конденсаторы

На следующем рисунке показано, как выглядит фиксированный вакуумный конденсатор:

Фиксированные вакуумные конденсаторы

Доступны переменные вакуумные конденсаторы в диапазоне от 12 до 5000 пФ, и они используются для высоковольтных применений, таких как от 5 кВ до 60 кВ. Они используются в основном оборудовании, таком как передатчики высокой мощности, РЧ-усилители и большие антенные тюнеры .

Стеклянные конденсаторы

Стеклянные конденсаторы являются очень эксклюзивными и имеют много преимуществ и применений. Как и все вышеперечисленные типы, здесь стекло является диэлектрическим веществом. Наряду со стеклянным диэлектриком, алюминиевые электроды также присутствуют в этих конденсаторах. Пластиковая инкапсуляция производится после выведения проводов. Выводы могут быть осевыми или трубчатыми.

Стеклянные конденсаторы

Есть много преимуществ стеклянного конденсатора, таких как -

  • Температурный коэффициент низкий.
  • Это бесшумные конденсаторы.
  • Они производят высококачественную продукцию с низкими потерями.
  • Они способны выдерживать высокие рабочие температуры.
  • Эти конденсаторы могут выдерживать большие радиочастотные токи.

Есть много применений для этих стеклянных конденсаторов, таких как -

  • Используется в цепях, которые должны находиться в зонах с высокой температурой.
  • Используется в цепях, которые требуют высокого Q.
  • Используется в цепях с высокой мощностью.
  • Используется для цепей, которые требуют высоких допусков.

Basic Electronics - Поляризованные конденсаторы

Поляризованные конденсаторы имеют специфическую положительную и отрицательную полярность. При использовании этих конденсаторов в цепях всегда следует следить за тем, чтобы они были подключены с идеальной полярностью . На следующем рисунке показана классификация поляризованных конденсаторов.

Поляризованные конденсаторы

Давайте начнем обсуждение с электролитических конденсаторов.

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы - это конденсаторы, которые по названию указывают на то, что в них используется некоторое количество электролита. Это поляризованные конденсаторы, которые имеют анод (+) и катод (-) с определенной полярностью.

Металл, на котором изолирующий оксидный слой образуется при анодировании, называется анодом . Твердый или нетвердый электролит, который покрывает поверхность оксидного слоя, выполняет функцию катода . Электролитические конденсаторы имеют намного более высокое значение Емкость-Напряжение (CV), чем другие, из-за их большей поверхности анода и тонкого диэлектрического оксидного слоя.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Алюминиевые электролитические конденсаторы являются наиболее распространенными типами среди электролитических конденсаторов. В них чистая алюминиевая фольга с травленой поверхностью действует как анод . Тонкий слой металла толщиной в несколько микрометров действует как диффузионный барьер , который помещается между двумя металлами для электрического разделения. Следовательно, диффузионный барьер действует как диэлектрик . Электролит действует как катод, который покрывает шероховатую поверхность оксидного слоя.

На следующем рисунке показано изображение алюминиевых электролитических конденсаторов разных размеров.

Электролитические конденсаторы

В зависимости от электролита существует три типа алюминиевых электролитических конденсаторов. Они -

  • Влажные алюминиевые электролитические конденсаторы (не твердые)
  • Диоксид марганца Алюминий Электролитические конденсаторы (твердые)
  • Конденсаторы полимерные алюминиевые электролитические (твердотельные)

Основным преимуществом этих алюминиевых электролитических конденсаторов является то, что они имеют низкие значения импеданса даже на частоте сети и дешевле. Они в основном используются в цепях электропитания, SMPS (импульсный источник питания) и DC-DC преобразователи .

Танталовые электролитические конденсаторы

Это электролитические конденсаторы другого типа, анод которых выполнен из тантала, на котором сформирован очень тонкий изолирующий оксидный слой . Этот слой действует как диэлектрик, а электролит действует как катод, который покрывает поверхность оксидного слоя.

На следующем рисунке показано, как выглядят танталовые конденсаторы.

Танталовые электролитические конденсаторы

Тантал обеспечивает высокую диэлектрическую проницаемость слоя. Тантал обладает высокой емкостью на единицу объема и меньшим весом. Но эти стоят дороже, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, из-за частой недоступности тантала.

Ниобиевые электролитические конденсаторы

Ниобиевый электролитический конденсатор - это другой тип электролитических конденсаторов, в котором пассивированный металлический ниобий или монооксид ниобия рассматривается как анод, а на анод добавляется изолирующий слой пятиокиси ниобия, так что он действует как диэлектрик. Твердый электролит укладывают на поверхность оксидного слоя, который действует как катод. На следующем рисунке показано, как выглядят ниобиевые конденсаторы.

Ниобиевые электролитические конденсаторы

Ниобиевые конденсаторы обычно доступны в виде SMD (устройства для поверхностного монтажа) чиповых конденсаторов. Они легко встраиваются в печатную плату. Эти конденсаторы должны работать в идеальной полярности. Любое обратное напряжение или ток пульсации, превышающий указанный, в конечном итоге разрушит диэлектрик и конденсатор.

Супер конденсаторы

Высокоемкие электрохимические конденсаторы со значениями емкости, намного превышающими другие конденсаторы, называются суперконденсаторами. Они могут быть классифицированы как группа, которая находится между электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями. Они также называются ультраконденсаторами .

Есть много преимуществ с этими конденсаторами, такими как -

  • Они имеют высокое значение емкости.
  • Они могут хранить и доставлять заряд намного быстрее.
  • Они могут обрабатывать больше циклов зарядки и разрядки.

Эти конденсаторы имеют множество применений, таких как -

  • Они используются в автомобилях, автобусах, поездах, лифтах и кранах.
  • Они используются при рекуперативном торможении.
  • Они используются для резервного копирования памяти.

Типы суперконденсаторов: двухслойные, псевдо и гибридные.

Двухслойные конденсаторы

Двухслойные конденсаторы представляют собой электростатические конденсаторы. Осаждение заряда осуществляется в этих конденсаторах по принципу двухслойного.

  • Все твердые вещества имеют отрицательный заряд на поверхностном слое при попадании в жидкость.

  • Это связано с высоким диэлектрическим коэффициентом жидкости.

  • Все положительные ионы приходят к поверхности твердого материала, чтобы сделать кожу.

  • Осаждение положительных ионов вблизи твердого материала ослабевает с расстоянием.

  • Заряд, создаваемый на этой поверхности за счет осаждения анионов и катионов, приводит к некоторому значению емкости.

Это двухслойное явление также называется двойным слоем Гельмгольца. На рисунке ниже поясняется процедура явления двойного слоя, когда конденсатор заряжается и когда он разряжается.

Двухслойные конденсаторы

Эти конденсаторы просто называются электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC). Они используют углеродные электроды для достижения разделения заряда между поверхностью проводящего электрода и электролитом. Углерод действует как диэлектрик, а два других - как анод и катод. Разделение заряда намного меньше, чем в обычном конденсаторе.

Псевдо-конденсаторы

Эти конденсаторы следуют электрохимическому процессу для нанесения заряда. Это также называется фарадейским процессом . На электроде, когда какое-то химическое вещество восстанавливается или окисляется, генерируется некоторый ток. Во время такого процесса эти конденсаторы накапливают электрический заряд путем переноса электрона между электродом и электролитом. Это принцип работы псевдо-конденсаторов.

Псевдо-конденсаторы

Они заряжаются намного быстрее и сохраняют заряд так же, как аккумулятор. Они работают с большей скоростью. Они используются в паре с батареями для улучшения жизни. Они используются в приложениях сетки для обработки колебаний мощности.

Гибридные конденсаторы

Гибридный конденсатор представляет собой комбинацию EDLC и псевдо-конденсатора. В гибридных конденсаторах активированный уголь используется в качестве катода, а предварительно легированный углеродный материал действует в качестве анода. Литий-ионный конденсатор является распространенным примером этого типа. На следующем рисунке показаны различные типы гибридных конденсаторов.

Гибридные конденсаторы

Они имеют высокую толерантность в широком диапазоне температур от -55 ° С до 200 ° С. Гибридные конденсаторы также используются в бортовых системах. Несмотря на высокую стоимость, эти конденсаторы очень надежны и компактны. Они прочные и выдерживают экстремальные удары, вибрацию и давление окружающей среды. Гибридные конденсаторы имеют более высокую плотность энергии и более высокую удельную мощность, чем любой электролитический конденсатор.

Базовая электроника - индукторы

Позвольте мне представить вам еще один важный компонент в области электроники и электрики, индуктор . Индуктор представляет собой пассивный двухконтактный компонент, который временно накапливает энергию в форме магнитного поля. Обычно его называют катушкой . Основным свойством индуктора является то, что он противостоит любому изменению тока .

Катушка индуктивности

Согласно закону Фарадея об электромагнитной индукции, когда ток, протекающий через индуктор, изменяется, изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует напряжение в проводнике. Согласно закону линзы, направление наведенной ЭДС противодействует изменению тока, который его создал. Следовательно, наведенная ЭДС противоположна напряжению, приложенному к катушке. Это свойство индуктора.

На следующем рисунке показано, как выглядит индуктор.

Катушка индуктивности

Индуктор блокирует любой компонент переменного тока, присутствующий в сигнале постоянного тока. Индуктор иногда наматывается на сердечник, например ферритовый сердечник. Затем он выглядит как на рисунке ниже.

Блоки индукторов

На следующем рисунке показан индуктор с маркировкой различных частей.

Части индуктора

Символы

Символы индукторов различных типов приведены ниже.

Индуктор Символы

Хранение Энергии

Одним из основных свойств электромагнетизма является то, что при прохождении тока через индуктор магнитное поле создается перпендикулярно течению тока. Это продолжает накапливаться. В какой-то момент он стабилизируется, что означает, что индуктивность не будет расти после этого. Когда ток перестает течь, магнитное поле уменьшается.

Эта магнитная энергия превращается в электрическую энергию. Следовательно, энергия временно сохраняется в форме магнитного поля.

Работа Индуктора

Согласно теории электромагнитной индукции, любой переменный электрический ток, протекающий в проводнике, создает вокруг него магнитное поле, перпендикулярное току. Кроме того, любое переменное магнитное поле создает ток в проводнике, присутствующем в этом поле, тогда как ток перпендикулярен магнитному полю.

Теперь, если мы рассмотрим индуктор, который состоит из проводящей катушки, и когда некоторый ток проходит через индуктор, магнитное поле создается перпендикулярно к нему. На следующем рисунке показан индуктор с магнитным полем вокруг него.

Магнитные поля

Теперь у нас есть переменное магнитное поле, которое создает некоторый ток через проводник. Но этот ток создается так, что он противодействует основному току, создавшему магнитное поле.

Если этот ток назван Im, что означает ток, создаваемый магнитным полем, а магнитное поле обозначено β, это показано на следующем рисунке.

Магнитная энергия

Этот противоположный ток приобретает силу с переменным магнитным полем, которое получает энергию от частоты входного питания. Следовательно, поскольку входной ток становится все более и более переменным с высокой частотой, результирующий противоположный ток также приобретает свою силу в направлении, противоположном самой причине, вызывающей его. Теперь этот противоположный ток пытается остановить прохождение высокочастотного переменного тока через индуктор, что означает «блокирование переменного тока».

Базовая электроника - индуктивность

Свойство индуктора получать напряжение, вызванное изменением тока, определяется как индуктивность. Индуктивность - это отношение напряжения к скорости изменения тока.

Скорость изменения тока вызывает изменение магнитного поля, которое вызывает ЭДС в направлении, противоположном источнику напряжения. Это свойство индукции ЭДС называется индуктивностью .

Формула для индуктивности

$$ Индуктивность \: \: = \: \: \ гидроразрыва {Volatge} {скорость \: из \: изменение \: из \: ток} $$

Единицы -

  • Единица индуктивности - Генри . На это указывает L.

  • Индукторы в основном доступны в мГн (милли Генри) и мкГн (микро Генри).

Говорят, что катушка имеет индуктивность, равную одному Генри, когда в катушке самоиндуцируется ЭДС в один вольт, где текущий ток изменяется со скоростью один ампер в секунду .

Самоиндукции

Если рассматривать катушку, в которой течет некоторый ток, она имеет некоторое магнитное поле, перпендикулярное течению тока. Когда этот ток продолжает изменяться, магнитное поле также изменяется, и это изменяющееся магнитное поле вызывает ЭДС, противоположную напряжению источника. Эта противоположная создаваемая ЭДС является напряжением с самоиндукцией, и этот метод называется самоиндуктивностью .

Самоиндуктивность

Ток i s на рисунке показывает ток источника, в то время как i ind указывает наведенный ток. Поток представляет собой магнитный поток, создаваемый вокруг катушки. С приложением напряжения ток течет и создается поток. Когда ток меняется, поток меняется, производя инд .

Эта индуцированная ЭДС на катушке пропорциональна скорости изменения тока. Чем выше скорость изменения тока, тем выше значение вызванной ЭДС.

Мы можем написать вышеприведенное уравнение как

$$ E \: \: \ альфа \: \: \ гидроразрыва {dì} {дт} $$

$$ Е \: \: = \: \: L \: \: \ гидроразрыва {Di} {дт} $$

Где,

  • E - ЭДС, произведенная

  • dI / dt указывает скорость изменения тока

  • L указывает коэффициент индуктивности.

Самоиндуктивность или Коэффициент самоиндуктивности можно назвать как

$$ L \: \: = \: \: \ гидроразрыва {Е} {\ гидроразрыва {} {Di дт}} $$

Фактическое уравнение записывается как

$$ E \: \: = \: \: - L \: \: \ гидроразрыва {dì} {дт} $$

Минус в приведенном выше уравнении указывает на то, что ЭДС индуцируется в направлении, противоположном источнику напряжения в соответствии с законом Ленца.

Взаимная индуктивность

Поскольку токонесущая катушка создает вокруг себя некоторое магнитное поле, если рядом с этой катушкой находится другая катушка, так что она находится в области магнитного потока первичной обмотки, то изменяющийся магнитный поток вызывает ЭДС во второй катушке. Если эту первую катушку называют первичной , то вторую можно назвать вторичной .

Когда ЭДС индуцируется во вторичной катушке из-за переменного магнитного поля первичной катушки, то такое явление называется взаимной индуктивностью .

Взаимная индуктивность

Ток i s на рисунке показывает ток источника, в то время как i ind указывает наведенный ток. Поток представляет собой магнитный поток, создаваемый вокруг катушки. Это распространяется и на вторичную катушку.

С приложением напряжения ток течет и создается поток. Когда ток i s изменяется, поток изменяется, производя i ind во вторичной катушке, из-за свойства взаимной индуктивности.

Изменение произошло так.

$$ V_ {р} \: \: I_ {р} \ RightArrow \: \: В \: \: \ RightArrow \: \: V_ {s} \: \: I_ {s} $$

Где,

  • V p i p Укажите напряжение и ток в первичной катушке соответственно

  • B обозначает магнитный поток

  • V s i s Указывает напряжение и ток во вторичной катушке соответственно

Взаимная индуктивность М двух цепей описывает величину напряжения во вторичной обмотке, вызванную изменениями тока первичной обмотки.

$$ V (Среднее) \: \: = \: \: - M \ frac {\ Delta I} {\ Delta t} $$

Где $ \ frac {\ Delta I} {\ Delta t} $ скорость изменения тока во времени, а M - коэффициент взаимной индуктивности. Знак минус указывает направление тока, противоположное источнику.

Единицы -

Единицы Взаимной индуктивности

$$ вольта \: \: = \: \: М \ гидроразрыва {амперы} {сек} $$

(Из приведенного выше уравнения)

$$ M \: \: = \: \: \ гидроразрыва {вольта \:. Сек} {ампер} $$

$$ = \: \: Генри (H) $$

В зависимости от числа витков первичной и вторичной катушек связь магнитного потока и количество индуцированной ЭДС варьируются. Число витков в первичном обозначается как N1, а вторичное - как N2. Коэффициент связи - это термин, который определяет взаимную индуктивность двух катушек.

Факторы, влияющие на индуктивность

Есть несколько факторов, которые влияют на производительность индуктора. Основные из них обсуждаются ниже.

Длина катушки

Длина катушки индуктивности обратно пропорциональна индуктивности катушки. Если длина катушки больше, индуктивность, предлагаемая этим индуктором, уменьшается, и наоборот.

Площадь поперечного сечения катушки

Площадь поперечного сечения катушки прямо пропорциональна индуктивности катушки. Чем выше площадь катушки, тем выше индуктивность.

Количество ходов

С количеством витков катушка напрямую влияет на индуктивность. Значение индуктивности становится квадратным к числу витков, которые имеет катушка. Следовательно, чем больше число витков, тем квадратнее от него будет значение индуктивности катушки.

Проницаемость керна

Проницаемость (μ) материала сердечника индуктора указывает на то, что сердечник обеспечивает формирование магнитного поля внутри себя. Чем выше проницаемость материала сердечника, тем выше будет индуктивность.

Коэффициент сцепления

Это важный фактор, который необходимо знать для расчета взаимной индуктивности двух катушек. Рассмотрим две соседние катушки N1 и N2 витков соответственно.

Ток через первую катушку i 1 создает некоторый поток Ψ 1 . Количество связей магнитного потока понимается через веб-витки.

Пусть величина магнитного потока, связанного со второй катушкой, из-за единичного тока i 1 будет

$$ \ гидроразрыва {N_ {2} \ varphi_ {1}} {i_ {1}} $$

Это можно понимать как Коэффициент взаимной индуктивности, что означает

$$ М \: \: = \: \: \ гидроразрыва {N_ {2} \ varphi_ {1}} {i_ {1}} $$

Следовательно, Коэффициент взаимной индуктивности между двумя катушками или цепями понимается как повороты Вебера в одной катушке из-за 1А тока в другой катушке.

Если самоиндукция первой катушки равна L 1 , то

$$ L_ {1} i_ {1} \: \: = \: \: {N_ {1} \ varphi_ {1}} \: \: => \: \: \ гидроразрыва {L_ {1}} {N_ {1}} \: \: \ гидроразрыва {\ varphi_ {1}} {i_ {1}} $$

$$ М \: \: = \: \: \ гидроразрыва {N_ {2} L_ {1}} {N_ {1}} $$

Аналогично, коэффициент взаимной индуктивности, обусловленной током i 2 во второй катушке, равен

$$ М \: \: = \: \: \ гидроразрыва {N_ {1} \ varphi_ {2}} {i_ {2}} \: \ dotsm \: \ dotsm \: \ dotsm \: \ dotsm \: \ : 1 $$

Если самоиндукция второй катушки равна L 2

$$ L_ {2} i_ {2} \: \: = \: \: N_ {2} \ varphi_ {2} $$

$$ \ гидроразрыва {L_ {2}} {N_ {2}} \: \: = \: \: \ гидроразрыва {\ varphi_ {2}} {i_ {2}} $$

Следовательно,

$$ М \: \: = \: \: \ гидроразрыва {N_ {1} L_ {2}} {N_ {2}} \: \ dotsm \: \ dotsm \: \ dotsm \: \ dotsm \: \: 2 $$

Умножая 1 и 2, получим

$$ М \: \: \ \ раз: \: М = \: \: \ гидроразрыва {N_ {2} L_ {1}} {N_ {1}} \: \: \ \ раз: \: \ гидроразрыва { N_ {1} L_ {2}} {N_ {2}} $$

$$ M ^ {2} \: \: = \: \: L_ {1} {L_ 2} \: \: => \: \: М \: \: = \: \: \ SQRT {L_ {1 } L_ {2}} $$

Вышеприведенное уравнение справедливо, когда весь изменяющийся поток первичной катушки соединяется со вторичной катушкой, что является идеальным случаем. Но на практике это не так. Следовательно, мы можем написать как

$$ М \: \: \ NEQ \: \: \ SQRT {L_ {1} L_ {2}} $$

$$ и \ frac {M} {\ sqrt {L_ {1} L_ {2}}} \: \: = \: \: K \: \: \ neq \: \: 1 $$

Где К известен как коэффициент связи.

Коэффициент связи K можно определить как отношение фактического коэффициента взаимной индуктивности к идеальному (максимальному) коэффициенту взаимной индуктивности.

Если значение k близко к единице, то говорят, что катушки тесно связаны, а если значение k = 0, то катушки говорят, что они слабо связаны.

Применение индукторов

Есть много применений индукторов, таких как -

  • Индукторы используются в цепях фильтров для определения высокочастотных компонентов и подавления шумовых сигналов.

  • Чтобы изолировать цепь от нежелательных ВЧ сигналов.

  • Индукторы используются в электрических цепях для формирования трансформатора и изоляции цепей от пиков.

  • Индукторы также используются в двигателях.

Схемные соединения в индукторах

Индуктор, когда он подключен в цепи, это соединение может быть последовательным или параллельным. Давайте теперь узнаем, что произойдет с суммарными значениями тока, напряжения и сопротивления, если они будут соединены последовательно, а также при параллельном соединении.

Индукторы в серии

Давайте посмотрим, что происходит, когда несколько индукторов соединены последовательно. Рассмотрим три резистора с разными значениями, как показано на рисунке ниже.

Индукторы в серии

самоиндукция

Общая индуктивность цепи, имеющей последовательные индукторы, равна сумме отдельных индуктивностей. Суммарное значение индуктивности сети, приведенное выше, составляет

$$ L_ {T}, \: \: = \: \: L_ {1} \: \ + \: \: L_ {2} \: \ + \: \: L_ {3} $$

Где L 1 - индуктивность 1- го резистора, L 2 - индуктивность 2- го резистора, а L 3 - индуктивность 3- го резистора в вышеуказанной сети.

вольтаж

Общее напряжение, которое появляется в последовательной сети индукторов, является суммой падений напряжения на каждой отдельной индуктивности.

Общее напряжение, которое появляется на цепи

$$ V \: \: = \: \: V_ {1} \: \ + \: \: V_ {2} \: \ + \: \: V_ {3} $$

Где V 1 - падение напряжения на 1- й катушке индуктивности, V 2 - падение напряжения на 2- й катушке индуктивности, а V 3 - падение напряжения на 3- й катушке индуктивности в вышеуказанной сети.

Текущий

Общее количество тока, который протекает через последовательно соединенные индукторы, одинаково во всех точках сети.

Ток через сеть

$$ I \: \: = \: \: I_ {1} \: \: = \: \: I_ {2} \: \: = \: \: I_ {3} $$

Где I 1 - ток через 1- й индуктор, I 2 - ток через 2- й индуктор, а I 3 - ток через 3- й индуктор в вышеуказанной сети.

Параллельные индукторы

Давайте посмотрим, что происходит, когда несколько резисторов подключены параллельно. Рассмотрим три резистора с разными значениями, как показано на рисунке ниже.

Параллельные индукторы

самоиндукция

Общая индуктивность цепи, имеющей параллельные резисторы, рассчитывается иначе, чем метод последовательной индуктивной сети. Здесь обратное (1 / R) значение отдельных индуктивностей складывается с обратной величиной алгебраической суммы, чтобы получить общее значение индуктивности.

Общая индуктивность сети

$$ \ гидроразрыва {1} {L_ {T}} \: \: = \: \: \ гидроразрыва {1} {L_ {1}} \: \ + \: \: \ гидроразрыва {1} {L_ { 2}} \: \ + \: \: \ гидроразрыва {1} {L_ {3}} $$

Где L 1 - индуктивность первого индуктора, L 2 - индуктивность второго индуктора, а L 3 - индуктивность третьего индуктора в указанной выше сети.

Из метода расчета параллельной индуктивности мы можем вывести простое уравнение для двухиндукторной параллельной сети. это

$$ L_ {T} \: \: = \: \: \ frac {L_ {1} \: \: \ times \: \: L_ {2}} {L_ {1} \: \: + \: \ : L_ {2}} $$

вольтаж

Общее напряжение, которое появляется в параллельной сети индукторов, равно падению напряжения на каждой отдельной индуктивности.

Напряжение, которое появляется в цепи

$$ V \: \: = \: \: V_ {1} \: \: = \: \: V_ {2} \: \: = \: \: V_ {3} $$

Где V 1 - падение напряжения на 1- й катушке индуктивности, V 2 - падение напряжения на 2- й катушке индуктивности, а V 3 - падение напряжения на 3- й катушке индуктивности в вышеуказанной сети. Следовательно, напряжение одинаково во всех точках параллельной сети индуктивности.

Текущий

Общая величина тока, поступающего в параллельную индуктивную сеть, является суммой всех отдельных токов, протекающих во всех параллельных ветвях. Значение индуктивности каждой ветви определяет значение тока, протекающего через нее.

Общий ток через сеть

$$ I \: \: = \: \: I_ {1} \: \ + \: \: I_ {2} \: \ + \: \: I_ {3} $$

Где I 1 - ток через 1- й индуктор, I 2 - ток через 2- й индуктор, а I 3 - ток через 3- й индуктор в вышеуказанной сети.

Следовательно, сумма отдельных токов в разных ветвях дает общий ток в параллельной сети.

Индуктивное сопротивление

Индуктивное реактивное сопротивление - это сопротивление индуктивности переменному току или просто переменному току. Индуктор обладает свойством сопротивляться изменению потока тока, и, следовательно, он демонстрирует некоторую оппозицию, которую можно назвать реактивным сопротивлением , поскольку частоту входного тока также следует учитывать вместе с сопротивлением, которое он предлагает.

  • Индикация - XL

  • Единицы - Ом

  • Символ - Ω

В чисто индуктивной цепи ток I L отстает от приложенного напряжения на 90 °. Индуктивное сопротивление рассчитывается по формуле:

$$ X_ {L} \: \: = \: \: 2 \ pi fL $$

Где f - частота сигнала. Следовательно, индуктивное сопротивление является функцией частоты и индуктивности.

Базовая электроника - типы индукторов

Индукторы доступны в различных формах и имеют различное использование. Их размеры варьируются в зависимости от материала, используемого для их изготовления. Основная классификация проводится как постоянные, так и переменные индукторы. Индуктор из нескольких Генри может иметь форму гантели размером с простой резистор. Фиксированный индуктор всегда имеет серебро в качестве первого цвета в цветовой кодировке.

Ядро Индуктора - это его сердце. Существует много типов индукторов в зависимости от используемого материала сердечника. Давайте посмотрим на некоторые из них.

Воздушный сердечник Индуктор

Индуктором с воздушным сердечником обычно называют индуктор с простой обмоткой. В этом материале нет ничего, кроме воздуха . Немагнитные материалы, такие как пластик и керамика, также используются в качестве материалов сердечника, и они также подпадают под эти индукторы с воздушным сердечником. На следующем изображении показаны различные индукторы с воздушным сердечником.

Воздушный сердечник Индуктор

Эти индукторы обеспечивают минимальные потери сигнала в приложениях, имеющих очень высокую напряженность магнитного поля. Кроме того, нет потерь в сердечнике, так как нет твердого материала сердечника.

Индуктор с железным сердечником

Эти индукторы имеют ферромагнитные материалы, такие как феррит или железо, в качестве материала сердечника. Использование таких материалов сердечника помогает в увеличении индуктивности из-за их высокой магнитной проницаемости. Проницаемость измеряет способность поддерживать формирование магнитных полей внутри материалов. На следующем рисунке показано, как выглядит индуктор с железным сердечником -

Железный сердечник индуктор

Индукторы с такими же ферромагнитными материалами сердечника страдают от потерь в сердечнике и потерь энергии на высоких частотах. Эти индукторы используются при изготовлении нескольких типов трансформаторов.

Тороидальные Индукторы

Эти индукторы имеют магнитный материал в качестве основного вещества, на которое наматывается провод. Они имеют форму круглого кольца, как показано на следующем рисунке.

Тороидальные Индукторы

Основным преимуществом этого типа индукторов является то, что благодаря круглой форме симметрия достигается во всей форме индуктора, благодаря чему минимальные потери в магнитном потоке. Эти индукторы в основном используются в цепях переменного тока.

Ламинированные сердечники индукторов

Это индукторы, которые имеют ламинированные тонкие стальные листы, такие как стопки, в качестве материалов сердечника. Обычно для индуктора, если площадь контура увеличивается для перемещения тока, потери энергии будут больше. Принимая во внимание, что в этих индукторах с многослойным сердечником тонкие стальные листы штабелей полезны для блокирования вихревых токов, которые сводят к минимуму петлевые воздействия.

На следующем рисунке показано изображение многослойного сердечника индуктора.

Ламинированные сердечники индукторов

Основным преимуществом этих индукторов является минимизация потерь энергии благодаря своей конструкции. Эти индукторы с многослойным сердечником в основном используются при изготовлении трансформаторов.

Индукторы с железным сердечником

Как следует из названия, сердечник этих индукторов имеет магнитные материалы с некоторыми воздушными зазорами в нем. Но этот вид конструкции дает преимущество ядру, чтобы сохранить высокий уровень энергии по сравнению с другими типами. На следующем рисунке показано изображение сердечника из порошкового железа.

Индукторы с железным сердечником

Эти индукторы обеспечивают очень низкие потери на вихревые токи и гистерезисные потери. Они доступны по самым низким ценам и имеют очень хорошую стабильность индуктивности.

Базовая электроника - РЧ индукторы

РЧ-индукторы - это радиочастотные индукторы, которые используются на высоких резонансных частотах . Это могут быть многослойные катушки индуктивности или тонкопленочные керамические катушки индуктивности или керамические катушки индуктивности. На следующем рисунке представлено несколько РЧ индукторов.

РЧ-индукторы

Эти индукторы характеризуются низким номинальным током и высоким электрическим сопротивлением . Но поскольку здесь используются высокие частоты, сопротивление провода увеличивается. Кроме того, из-за этих высоких резонансных радиочастот проявляется мало эффектов. Давайте посмотрим на них.

Эффект кожи

На высоких частотах переменный ток имеет тенденцию неравномерного распределения тока по проводнику. Электрический ток протекает в большей степени на поверхности проводника, чем в его центре. Он концентрирует свою энергию в оболочке проводника, оставляя глубокий сердечник проводника, как показано на следующем рисунке.

Эффект кожи

Поскольку энергия концентрируется на коже проводника, этот эффект называется скин-эффектом . На самом деле этот скин-эффект вызван вихревыми токами, которые создаются изменяющимся магнитным полем, возникающим в результате переменного тока. В настоящее время проводники, несущие более высокие частоты, выполнены в форме трубки, чтобы уменьшить вес и стоимость проводников.

Эффект близости

Наряду с вышесказанным, это еще один эффект, который наблюдается здесь. Эффект близости - тот, который увеличивает сопротивление провода на высоких частотах. Близость это слово, которое говорит, что эффект будет на соседних проводах . На следующем рисунке показана концентрация тока на краях соседних кабелей.

Эффект близости

Каждый виток имеет некоторое магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи в проводе, что вызывает фокусировку тока на стороне соседнего провода. Благодаря этому эффективная площадь поперечного сечения провода уменьшается, а его сопротивление увеличивается .

Паразитная емкость

Обычно внутри катушки индуктивности имеется резистор последовательно (сопротивление провода) и конденсатор в шунте (паразитная емкость). Каждый виток обмотки имеет слегка различный потенциал в индуктивности. На следующем рисунке показан эффект емкости в индуктивности.

Паразитная емкость

Два проводника, которые присутствуют в каждом витке, действуют как конденсаторные пластины, а воздух - в качестве диэлектрика. Емкость, называемая паразитной емкостью, существует здесь. Чтобы избежать этого в определенных применениях, обмотки сделаны далеко друг от друга.

По мере увеличения частоты сопротивление паразитной емкости уменьшается, а сопротивление индуктивности увеличивается. Следовательно, катушка индуктивности ведет себя как конденсатор.

Диэлектрические потери

Ток, проходящий через проводник индуктора, заставляет молекулы изоляторов оказывать энергию в виде тепла. Чем выше частота, тем больше будет тепловыделение.

дроссели

Индукторы также называются дросселями. Индуктор блокирует компоненты переменного тока и передает через него компоненты постоянного тока. Следовательно, поскольку он блокирует или останавливает переменный ток, катушку индуктивности можно просто назвать дросселем.

дроссели

Катушка из изолированного провода часто наматывается на магнитный сердечник для образования дросселя. По мере увеличения частоты сигнала сопротивление дросселя увеличивается. Из-за его реактивного сопротивления, он может ограничивать количество переменного тока через него. Несмотря на то, что практически некоторое количество переменного тока проходит через него из-за его низкого электрического сопротивления. Они в основном используются в ламповых лампах и в трансформаторах в электронных приложениях.

Базовая электроника - Трансформаторы

Согласно принципу электромагнитной индукции , мы уже узнали, что переменный поток может вызывать ЭДС в катушке. По принципу взаимной индукции , когда рядом с такой катушкой помещается другая катушка, поток наводит ЭДС во вторую катушку.

Теперь катушка, которая имеет переменный поток, называется первичной катушкой, а катушка, в которую индуцируется ЭДС, называется вторичной катушкой , в то время как две катушки вместе составляют единицу, называемую трансформатором .

Трансформатор

Трансформатор имеет первичную катушку, на которую подается вход, и вторичную катушку, с которой выводится выход. Обе эти катушки намотаны на материал сердечника. Обычно изолятор образует сердечник трансформатора.

На следующем рисунке показан практический трансформатор.

Трансформатор

Из приведенного выше рисунка видно, что несколько обозначений являются общими. Давайте попробуем записать их. Они -

  • N p = число витков в первичной обмотке

  • N s = число витков во вторичной обмотке

  • I p = ток, протекающий в первичной обмотке трансформатора

  • I s = ток, протекающий во вторичной обмотке трансформатора

  • V p = напряжение на первичной обмотке трансформатора

  • V s = напряжение на вторичной обмотке трансформатора

  • Φ = магнитный поток присутствует вокруг сердечника трансформатора.

Трансформатор в цепи

На следующем рисунке показано, как трансформатор представлен в цепи. Первичная обмотка, вторичная обмотка и сердечник трансформатора также представлены на следующем рисунке.

Трансформатор в цепи

Следовательно, когда трансформатор подключен к цепи, входная мощность подается на первичную катушку, так что он генерирует переменный магнитный поток с этим источником питания, и этот поток индуцируется во вторичной катушке трансформатора, что создает переменную ЭДС переменный поток. Поскольку поток должен изменяться, для передачи ЭДС от первичной к вторичной обмотке трансформатор всегда работает от переменного тока переменного тока.

Шаг вверх и шаг вниз

В зависимости от количества витков вторичной обмотки трансформатор может называться повышающим или понижающим .

Основной момент, который следует здесь отметить, заключается в том, что не будет никакой разницы в первичной и вторичной мощности трансформатора. Соответственно, если напряжение на вторичной обмотке высокое, то потребляется низкий ток для обеспечения стабильности питания. Кроме того, если напряжение во вторичной обмотке низкое, то потребляется большой ток, так как мощность должна быть такой же, как у первичной стороны.

Шаг вверх

Когда вторичная обмотка имеет большее число витков, чем первичная обмотка, то считается, что трансформатор является повышающим трансформатором. Здесь наведенная ЭДС больше, чем входной сигнал.

Шаг вверх

Шаг вниз

Когда вторичная обмотка имеет меньшее число витков, чем первичная обмотка, то считается, что трансформатор является понижающим трансформатором. Здесь наведенная ЭДС меньше, чем входной сигнал.

Шаг вниз

Коэффициент поворота

Поскольку число витков первичной и вторичной обмоток влияет на номинальные напряжения, важно поддерживать соотношение между витками, чтобы иметь представление о наведенных напряжениях.

Отношение числа витков в первичной катушке к числу витков во вторичной катушке называется « коэффициент витков » или « коэффициент трансформации ». Коэффициент поворотов обычно обозначается как N.

$$ N \: \: = \: \: Включает \: соотношение \: \: = \: \: \ гидроразрыва {Number \: \: из витков \: на \: Первичный} {Number \: из \: повороты \: на \: Вторичный} \: \: = \: \: \ гидроразрыва {N_ {р}} {N_ {s}} $$

Отношение первичной обмотки к вторичной обмотке, отношение входа к выходу и отношение витков любого данного трансформатора будет таким же, как и его коэффициент напряжения . Следовательно, это можно записать как

$$ \ гидроразрыва {N_ {р}} {N_ {s}} \: \: = \: \: \ гидроразрыва {V_ {р}} {V_ {s}} \: \: = \: \: N \ : \: = \: \: \ Обороты: соотношение $$

Отношение оборотов также указывает, является ли трансформатор повышающим или понижающим трансформатором. Например, отношение витков 1: 3 означает, что трансформатор является повышающим, а соотношение 3: 1 указывает, что это понижающий трансформатор.

Базовая электроника - типы трансформаторов

Что касается классификации трансформаторов, существует множество типов в зависимости от используемого сердечника, используемых обмоток, места и типа использования, уровней напряжения и т. Д.

Одно и трехфазные трансформаторы

В зависимости от используемого источника питания трансформаторы в основном классифицируются как однофазные и трехфазные .

  • Обычный трансформатор - это однофазный трансформатор. Он имеет первичную и вторичную обмотки и используется для уменьшения или увеличения вторичного напряжения.

  • Для трехфазного трансформатора три первичные обмотки соединены вместе, а три вторичные обмотки соединены вместе.

Один трехфазный трансформатор предпочтительнее трехфазных трансформаторов, чтобы получить хорошую эффективность, где он занимает меньше места при низких затратах. Но из-за проблемы транспортировки тяжелого оборудования, в большинстве случаев используются однофазные трансформаторы.

Другая классификация этих трансформаторов - это сердечник и оболочка .

  • В типе Shell обмотки расположены на одной ножке, окруженной сердечником.

  • В основном типе они ранены на разных ногах.

Разница хорошо известна, если взглянуть на следующий рисунок.

Одиночный трехфазный трансформатор

Классификация трансформаторов также может быть выполнена в зависимости от типа используемого материала сердечника. На самом деле это радиочастотные трансформаторы , которые содержат много типов, таких как трансформаторы с воздушным сердечником, трансформаторы с ферритовым сердечником, трансформаторы линии электропередачи и трансформаторы Балуна . Трансформаторы Балун используются в радиочастотных приемных системах. Основными типами являются трансформаторы с воздушным сердечником и железным сердечником.

Трансформатор с воздушным сердечником

Это трансформатор с сердечником, в котором обмотки намотаны на немагнитную полосу. Связи магнитного потока сделаны через воздух как сердечник между первичным и вторичным. На следующем рисунке показан трансформатор с воздушным сердечником.

Трансформатор с воздушным сердечником

преимущества

  • Гистерезис и потери на вихревые токи в этих трансформаторах с воздушным сердечником малы.
  • Уровень шума низкий.

Недостатки

  • Сильное сопротивление в трансформаторах с воздушным сердечником.
  • Взаимная индуктивность в воздушном сердечнике низкая по сравнению с трансформаторами с железным сердечником.

Приложения

  • Аудио преобразователи частоты.
  • Высокочастотные радиопередачи.

Трансформаторы с железным сердечником

Это трансформатор с сердечником, в котором обмотки намотаны на железный сердечник. Связи магнитного потока сделаны прочными и совершенными с железом в качестве материала сердечника. Это обычно видно в лабораториях. На рисунке ниже показан пример трансформатора с железным сердечником.

Железный сердечник трансформатора

преимущества

  • Они имеют очень высокую магнитную проницаемость.
  • Трансформаторы с железным сердечником обладают низким сопротивлением.
  • Взаимная индуктивность высокая.
  • Эти трансформаторы очень эффективны.

Недостатки

  • Они немного шумные по сравнению с трансформаторами с воздушным сердечником.
  • Гистерезис и потери от вихревых токов немного больше, чем у трансформаторов с воздушным сердечником.

Приложения

  • В качестве изолирующих трансформаторов.
  • Высокочастотные радиопередачи.

Трансформаторы также классифицируются в соответствии с типом сердечника, который они используют. Некоторые трансформаторы используют сердечник, погруженный в масло. Это масло охлаждают снаружи различными способами. Такие трансформаторы называются трансформаторами с мокрым сердечником , в то время как другие, такие как трансформаторы с ферритовым сердечником, трансформаторы с многослойным сердечником, трансформаторы с тороидальным сердечником и трансформаторы с литой смолой, являются трансформаторами с сухим сердечником .

Основываясь на типе техники намотки, у нас есть еще один очень популярный трансформатор, который называется « Авто трансформатор» .

Авто Трансформатор

Это тип трансформатора, который в основном встречается в наших электрических лабораториях. Этот авто трансформатор является улучшенной версией оригинального трансформатора. Взята одна обмотка, к которой обе стороны подключены к источнику питания и заземлению. Выполняется еще одно переменное постукивание, движение которого вторично относительно трансформатора.

На следующем рисунке показана схема автотрансформатора.

Авто Трансформатор

Как показано на рисунке, одна обмотка обеспечивает как первичную, так и вторичную в трансформаторе. Различные ответвления вторичной обмотки нарисованы, чтобы выбрать различные уровни напряжения на вторичной стороне.

Первичная обмотка, как показано выше, имеет значение от A до C, а вторичная обмотка - от B до C, тогда как переменное плечо B изменяется для получения требуемых уровней напряжения. Практичный автоматический трансформатор выглядит как на рисунке ниже.

Практичный Авто Трансформатор

Вращая вал выше, вторичное напряжение настраивается на различные уровни напряжения. Если напряжение, приложенное к точкам A и C, равно V1, то напряжение на витке в этой обмотке будет

$$ Напряжение \: в \: поворот \: \: = \: \: \ гидроразрыва {V_ {1}} {N_ {1}} $$

Теперь напряжение на точках B и C будет

$$ V_ {2} \: \: = \: \: \ гидроразрыва {V_ {1}} {N_ {1}} \: \: \ \ раз: \: N_ {2} $$

$$ \ гидроразрыва {V_ {2}} {V_ {1}} \: \: = \: \: \ гидроразрыва {N_ {2}} {N_ {1}} \: \: = \: \: постоянная \ : (скажем, \: K) $$

Эта постоянная не что иное, как коэффициент поворота или коэффициент напряжения автоматического трансформатора.

Трансформаторы на основе использования

Существуют трансформаторы, которые классифицируются в зависимости от их применения. Многие из этих трансформаторов большие и громоздкие. Большинство из них используются отделом электричества.

Силовые трансформаторы

Силовые трансформаторы используются в системах передачи высокой мощности как для повышающих, так и понижающих применений, где рабочие напряжения более 33 кВ, как правило, номинальные значения выше 200 МВА. Плотность потока для них намного выше.

Все трансформаторы, которые используются для приложений управления мощностью, таких как трансформаторы с многослойным сердечником, тороидальные трансформаторы, переменные авто трансформаторы, многофазные трансформаторы, трансформаторы рассеянного рассеяния, подпадают под эту категорию.

Силовой трансформатор

Они обычно большие по размеру, в зависимости от мощности обработки и ее применения. Эти трансформаторы доступны в трехфазном или однофазном типе. Поскольку эти трансформаторы громоздки, они размещены на большой открытой площадке. Эти трансформаторы, как правило, обеспечивают 100% эффективность в приложениях с полной нагрузкой.

преимущества

  • Они имеют высокий уровень изоляции.
  • Шум низкий.
  • Они очень эффективны.
  • Высоковольтные, рассчитанные на высокие мощности.

Приложения

  • Они используются в системах производства электроэнергии.
  • Они используются в передающих подстанциях.

Измерительные трансформаторы

Измерительные трансформаторы используются для измерения высокого напряжения и больших токов. Это в основном полезно для изоляции цепей от них. Обычно первичная обмотка трансформатора связана с высокими входами напряжений и токов, тогда как вторичная обмотка трансформатора связана с некоторым реле или цепью, которая должна иметь некоторую изоляцию.

В основном это два типа, трансформаторы тока и трансформаторы напряжения . Давайте посмотрим на каждого из них.

Текущий Трансформатор

Трансформаторы тока обеспечивают ток во вторичной цепи пропорционально току в первичной цепи. Они используются в защитных реле и в целях измерения.

Первичная обмотка с одним витком проходит через хорошо изолированный трансформатор с тороидальным сердечником, который намотан на множество витков, что делает трансформатор тока . Это всегда связано последовательно.

Текущий Трансформатор

Вторичная обмотка может быть рассчитана на один выход или может иметь несколько ответвлений для разных значений. Необходимо позаботиться о том, чтобы вторичная обмотка была подключена к своей нагрузке, имеющей низкий импеданс, а ток течет по первичной обмотке. Это сделано для того, чтобы избежать внезапного высокого напряжения в разомкнутой вторичной обмотке, которое может навсегда повредить точность трансформатора.

Трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения обеспечивают напряжение во вторичной цепи пропорционально напряжению в первичной цепи. Эти трансформаторы также называются потенциальными трансформаторами . Они подключены параллельно к цепи.

Первичная обмотка этого трансформатора может иметь межфазные соединения, но вторичная обмотка будет иметь одну клемму для заземления. На рисунке ниже показано изображение трансформатора напряжения.

Преобразователь напряжения

Существует три основных типа трансформаторов напряжения. Они есть

  • Электромагнитный - используется проволочный трансформатор с хорошими магнитными связями.

  • Конденсатор - использует конденсатор с потенциальной разделительной сетью.

  • Оптический - использует электрические свойства оптических материалов.

Трансформаторы напряжения используются в защитных реле и в целях измерения, а также для фазовой фазовой изоляции.

Защитные трансформаторы

Эти трансформаторы очень точны, чем измерительные трансформаторы, так как они используются только для защиты цепей от высоких напряжений и токов. Первичная обмотка этих трансформаторов связана с высокими входами, тогда как вторичная обмотка трансформатора удерживает цепь или реле в изоляции от внезапных скачков или скачков напряжения, которые могут повредить цепь.

Распределительные трансформаторы

Распределительные трансформаторы используются для распределения электрической энергии на уровне конечного пользователя. Рабочее напряжение составляет около 33 кВ для промышленных целей и 440 В - 220 В для бытовых целей. Они обычно оцениваются ниже 200MVA.

Большие трехфазные автотрансформаторы, используемые в распределении энергии, и трансформаторы с масляным охлаждением также подпадают под эту категорию. На рисунке ниже показано изображение распределительного трансформатора.

Распределительный трансформатор

Эти трансформаторы обычно меньше по размеру по сравнению с силовыми трансформаторами. Эти трансформаторы находятся в открытом состоянии, но не полностью загружены, как силовые трансформаторы.

преимущества

  • Они маленькие по размеру.
  • Они просты в установке.
  • Эти трансформаторы имеют низкие магнитные потери.

Недостатки

  • Эти трансформаторы имеют низкий КПД.
  • Они не полностью загружены.

Приложения

Они используются для распределения электроэнергии в различных областях, таких как дома, фермерские дворы, земли, железные дороги, ветряные электростанции и т. Д.

Базовая электроника - эффективность трансформатора

Когда на первичную обмотку трансформатора накладывается некоторое напряжение, магнитный поток, создаваемый в первичной обмотке, индуцируется во вторичную из-за взаимной индукции, которая создает некоторое напряжение во вторичной обмотке. Сила этого магнитного поля возрастает по мере того, как ток возрастает от нуля до максимального значения, которое задается $ \ mathbf {\ frac {d \ varphi} {dt}} $.

Магнитные линии потока проходят через вторичную обмотку. Количество витков во вторичной обмотке определяет наведенное напряжение. Следовательно, величина наведенного напряжения будет определяться

$$ N \ гидроразрыва {d \ varphi} {дт} $$

Где N = число витков во вторичной обмотке

Частота этого наведенного напряжения будет такой же, как частота первичного напряжения. Пиковая амплитуда выходного напряжения будет затронута, если магнитные потери высоки.

Индуцированная ЭДС

Попробуем нарисовать некоторую связь между наведенной ЭДС и числом витков в катушке.

Предположим теперь, что как первичная, так и вторичная катушки имеют по одному витку. Если к одному витку первичной обмотки приложить один вольт без потерь (идеальный случай), то поток тока и создаваемое магнитное поле индуцируют один и тот же вольт во вторичной обмотке. Следовательно, напряжение одинаково с обеих сторон.

Но магнитный поток изменяется синусоидально, что означает,

$$ \ phi \: \: = \: \: \ phi_ {max} \ sin \ omega t $$

Тогда основное соотношение между индуцированной ЭДС и обмоткой катушки из N витков

$$ EMF \: = \: витки \: \: \ раз \: \: \: скорость из \: изменение $$

$$ E \: = \: N \ frac {d \ phi} {dt} $$

$$ E \: = \: N \: \ times \: \ omega \: \ times \: \ phi_ {max} \: \ times \: \ cos (\ omega t) $$

$$ E_ {max} \: = \: N \ omega \ phi_ {max} $$

$$ E_ {rms} \: = \: \ frac {N \ omega} {\ sqrt {2}} \: \ times \: \ phi_ {max} \: = \: \ frac {2 \ pi} {\ SQRT {2}} \: \ \ раз: F \: \ \ раз: N \: \ \ раз: \ Phi_ {макс} $$

$$ E_ {эфф} \: = \: 4,44 \: F \: Н \: \ Phi_ {макс} $$

где

f = частота потока в герцах = $ \ frac {\ omega} {2 \ pi} $

N = количество обмоток катушки

∅ = плотность потока в веберах

Это известно как уравнение ЭДС трансформатора .

Поскольку переменный поток производит ток во вторичной катушке, и этот переменный поток генерируется переменным напряжением, мы можем сказать, что только переменный ток переменного тока может помочь трансформатору работать. Следовательно, трансформатор не работает на постоянном токе .

Потери в Трансформаторах

Любое устройство имеет мало потерь в практическом применении. Основные потери в трансформаторах - это потери в меди, потери в сердечнике и утечка флюса.

Потери меди

Потеря меди - это потеря энергии из-за тепла, производимого током, протекающим через обмотки трансформаторов. Они также называются « потерями I 2 R » или « потерями I в квадрате R», поскольку потеря энергии в секунду увеличивается с увеличением квадрата тока через обмотку и пропорциональна электрическому сопротивлению обмотки.

Это можно записать в уравнении как

$$ I_ {P} R_ {P} \: + \: I_ {S} R_ {S} $$

где

  • I P = первичный ток

  • R P = первичное сопротивление

  • I S = вторичный ток

  • R S = вторичное сопротивление

Основные потери

Основные потери также называются железными потерями . Эти потери зависят от используемого материала сердечника. Они бывают двух типов, а именно, гистерезисные и вихретоковые потери .

  • Потеря гистерезиса - переменный ток, индуцированный в виде магнитного потока, продолжает колебаться (например, подниматься и опускаться) и менять направление в соответствии с индуцированным напряжением переменного тока. Некоторая энергия теряется в ядре из-за этих случайных колебаний. Такая потеря может быть названа потерей гистерезиса .

  • Потеря вихревых токов - в то время как весь этот процесс продолжается, в сердечнике индуцируются некоторые токи, которые непрерывно циркулируют. Эти токи вызывают некоторую потерю, называемую потерей вихревых токов . На самом деле переменное магнитное поле должно вызывать ток только во вторичной обмотке. Но это также вызывает напряжения в соседних проводящих материалах, что приводит к потере энергии.

  • Утечка магнитного потока - Хотя связи магнитного потока достаточно сильны, чтобы произвести требуемое напряжение, будет иметь место некоторый поток, который протекает при практическом применении и, следовательно, приводит к потере энергии. Несмотря на то, что это мало, эта потеря также учитывается, когда речь идет о приложениях с высокой энергией.

Сила Трансформера

Когда рассматривается идеальный трансформатор без потерь, мощность трансформатора будет постоянной, как произведение, когда напряжение V, умноженное на ток I, является постоянным.

Можно сказать, что мощность в первичной обмотке равна мощности во вторичной обмотке, так как об этом позаботится трансформатор. Если трансформатор увеличивает напряжение, то ток уменьшается, а если напряжение понижается, ток увеличивается, чтобы поддерживать постоянную выходную мощность.

Следовательно, первичная мощность равна вторичной мощности.

$$ Р- {Primary} \: = \: Р- {Secondary} $$

$$ V_ {P} I_ {P} \ cos \ phi_ {P} \: = \: V_ {S} I_ {S} \ cos \ phi_ {S} $$

Где P = первичный фазовый угол и S = вторичный фазовый угол.

КПД трансформатора

Количество или интенсивность потерь мощности в трансформаторе, определяет эффективность трансформатора. Эффективность можно понять с точки зрения потери мощности между первичной и вторичной обмоткой трансформатора.

Следовательно, отношение выходной мощности вторичной обмотки к входной мощности первичной обмотки может быть указано как КПД трансформатора . Это можно записать как

$$ Efficiency \: = \: \ frac {Power \: output} {Power \: input} \: \ times \: 100 \% $$

Эффективность обычно обозначается через η . Приведенное выше уравнение справедливо для идеального трансформатора, в котором не будет потерь и вся энергия на входе передается на выход.

Следовательно, если учитываются потери и если эффективность рассчитывается в практических условиях, следует учитывать приведенное ниже уравнение.

$$ Efficiency \: = \: \ frac {Power \: output} {Power \: output \: + \: Медь \: потери \: + \: Core \: потери} \: \ times \: 100 \% $ $

В противном случае его также можно записать как

$$ Эффективность \: = \: \ гидроразрыва {Мощность \: вход \: - \: Потери} {Мощность \: вход} \: \ раз \: 100 $$

$$ 1 \: - \: \ гидроразрыва {Потери} {Input \: Мощность} \: \ раз \: 100 $$

Следует отметить, что вход, выход и потери выражены в единицах мощности, то есть в ваттах.

пример

Рассмотрим трансформатор с входной мощностью 12 кВт, рассчитанный на ток 62,5 А, с эквивалентным сопротивлением 0,425 Ом. Рассчитаем КПД трансформатора.

Решение -

Предоставленные данные

  • Входная мощность = 12 кВт
  • Номинальный ток = 62,5 А
  • Эквивалентное сопротивление = 0,425 Ом

Расчет потерь -

Потери в меди при номинальном токе I 2 R = (62,5) 2 (0,425) = 1660 Вт

У нас есть

$$ Эффективность \: = \: \ гидроразрыва {Мощность \: вход \: - \: Потери} {Мощность \: вход} \: \ раз \: 100 $$

Следовательно,

$$ \ ета \: = \: \ гидроразрыва {12000 \: - \: 1660} {12000} \: \ раз \: 100 $$

$$ \ ета \: = \: \ гидроразрыва {10340} {12000} \: \ раз \: 100 $$

$$ \ eta \: = \: 0.861 \: \ times \: 100 \: = \: 86 \% $$

Следовательно, КПД трансформатора составляет 86%.

Базовая электроника - диоды

Узнав о различных компонентах, давайте сосредоточимся на еще одном важном компоненте в области электроники, известном как диод . Полупроводниковый диод - это двухконтактный электронный компонент с PN-переходом. Это также называется выпрямителем .

Символ диода

Анод, который является положительным выводом диода, обозначен буквой A, а катод , который является отрицательным выводом , обозначен буквой K. Чтобы узнать анод и катод практического диода, на диоде рисуется тонкая линия, что означает катод, а другой конец представляет анод.

Диодные клеммы

Как мы уже говорили о полупроводниках P-типа и N-типа, а также о поведении их носителей, давайте теперь попробуем объединить эти материалы, чтобы посмотреть, что произойдет.

Формирование диода

Если материалы P-типа и N-типа располагаются близко друг к другу, они оба соединяются, образуя соединение, как показано на рисунке ниже.

Диод Формирование

Материал P-типа имеет отверстия в качестве основных носителей, а материал N-типа имеет электроны в качестве основных носителей . Когда притягиваются противоположные заряды, мало дырок в P-типе имеют тенденцию переходить в n-сторону, тогда как мало электронов в N-типе имеют тенденцию переходить в P-сторону.

По мере того как они оба движутся в направлении соединения, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом, нейтрализуя и образуя ионы. Теперь в этом соединении существует область, где образуются положительные и отрицательные ионы, называемые PN-переходом или переходным барьером, как показано на рисунке.

Диод Материал

Образование отрицательных ионов на P-стороне и положительных ионов на N-стороне приводит к образованию узкой заряженной области по обе стороны от PN-перехода. Этот регион теперь свободен от подвижных носителей заряда. Присутствующие здесь ионы являются стационарными и поддерживают область пространства между ними без каких-либо носителей заряда.

Поскольку эта область действует как барьер между материалами типа P и N, это также называется барьерным переходом . У этого есть другое имя, названное как Область истощения, означающее, что оно истощает обе области. Происходит разность потенциалов VD из-за образования ионов через соединение, называемое потенциальным барьером, так как оно предотвращает дальнейшее движение дырок и электронов через соединение.

Смещение диода

Когда диод или любой двухконтактный компонент подключен к цепи, он имеет два смещенных состояния с заданным источником питания. Это прямое смещение и обратное смещение . Дайте нам знать их подробно.

Смещение вперед

Когда диод подключен в цепи с его анодом к положительной клемме и катодом к отрицательной клемме источника питания, то такое соединение называется смещенным в прямом направлении . Такое соединение делает цепь более смещенной в прямом направлении и способствует большей проводимости. Диод хорошо проводит в прямом смещенном состоянии.

Обратное смещенное условие

Когда диод подключен в цепи с его анодом к отрицательной клемме и катодом к положительной клемме источника питания, то такое соединение называется состоянием обратного смещения . Такое соединение делает цепь все более и более смещенной в обратном направлении и помогает минимизировать и предотвратить проводимость. Диод не может проводить в обратном смещенном состоянии.

Обратное смещенное условие

Давайте теперь попробуем узнать, что происходит, если диод подключен в прямом смещенном и в обратном смещенных условиях.

Работа под предвзятым предвзятым

Когда на диод подается внешнее напряжение, которое устраняет потенциальный барьер и допускает протекание тока, это называется прямым смещением . Когда анод и катод подключены к положительным и отрицательным клеммам соответственно, дырки в P-типе и электроны в N-типе имеют тенденцию перемещаться через соединение, разрушая барьер. При этом существует свободный поток тока, почти устраняющий барьер.

Смещен в прямом направлении

С силой отталкивания, создаваемой положительным контактом для дырок и отрицательным контактом для электронов, рекомбинация происходит в соединении. Напряжение питания должно быть таким высоким, чтобы оно заставляло движение электронов и дырок проходить через барьер и пересекать его для обеспечения прямого тока .

Прямой ток - это ток, производимый диодом при работе в прямом смещенном состоянии, и он обозначается I f .

Работа в режиме обратного смещения

Когда на диод подается внешнее напряжение, которое увеличивает потенциальный барьер и ограничивает протекание тока, это называется обратным смещением . Когда анод и катод соединены с отрицательной и положительной клеммами соответственно, электроны притягиваются к положительной клемме, а отверстия притягиваются к отрицательной клемме. Следовательно, оба будут удалены от потенциального барьера, увеличивая сопротивление перехода и предотвращая пересечение любого электрона.

На следующем рисунке это объясняется. График проводимости, когда поле не применяется и когда применяется какое-то внешнее поле, также рисуется.

Обратное смещение

С возрастающим обратным смещением у перехода есть немного неосновных носителей, чтобы пересечь соединение. Этот ток обычно незначителен. Этот обратный ток почти постоянен, когда температура постоянна. Но когда это обратное напряжение увеличивается еще больше, то возникает точка, называемая обратным пробоем , где через соединение протекает лавина тока. Этот высокий обратный ток повреждает устройство.

Обратный ток - это ток, создаваемый диодом при работе в режиме обратного смещения, и он обозначается как I r . Следовательно, диод обеспечивает путь высокого сопротивления в обратном смещенном состоянии и не проводит, где он обеспечивает путь низкого сопротивления в прямом смещенном состоянии и проводит. Таким образом, можно сделать вывод, что диод является односторонним устройством, которое проводит в прямом смещении и действует как изолятор в обратном смещении. Такое поведение заставляет его работать как выпрямитель, который преобразует переменный ток в постоянный.

Пиковое обратное напряжение

Пиковое обратное напряжение в ближайшее время называется PIV . В нем указывается максимальное напряжение, приложенное при обратном смещении. Пиковое обратное напряжение можно определить как « максимальное обратное напряжение, которое диод может выдержать без разрушения ». Следовательно, это напряжение учитывается при условии обратного смещения. Это обозначает, как диод может безопасно работать в обратном смещении.

Назначение диода

Диод используется для блокировки потока электрического тока в одном направлении, то есть в прямом направлении, и для блокировки в обратном направлении. Этот принцип диода заставляет его работать в качестве выпрямителя .

Для цепи, которая позволяет току течь в одном направлении, но останавливается в другом направлении, диод выпрямителя является лучшим выбором. Таким образом, на выходе будет постоянный ток, удаляющий компоненты переменного тока. Схемы, такие как полуволновые и двухполупериодные выпрямители, сделаны с использованием диодов, которые можно изучить в учебных пособиях по электронным схемам .

Диод также используется в качестве переключателя . Это помогает быстрее включать и выключать выход, который должен происходить с высокой скоростью.

V - I Характеристики диода

Практическая схема подключения PN-диода, как показано на следующем рисунке. Амперметр подключен последовательно, а вольтметр - параллельно, а питание контролируется переменным резистором.

VI Диод

Во время работы, когда диод находится в прямом смещенном состоянии, при определенном напряжении потенциальный барьер устраняется. Такое напряжение называется напряжением отсечки или напряжением колена . Если прямое напряжение превышает предельное значение, прямой ток возрастает экспоненциально, и если это будет сделано в дальнейшем, устройство будет повреждено из-за перегрева.

На следующем графике показано состояние диодной проводимости в прямом и обратном смещенных условиях.

Обратный ток

Во время обратного смещения существует ток, производимый через неосновные носители, известный как « Обратный ток ». Когда обратное напряжение увеличивается, этот обратный ток увеличивается, и он внезапно ломается в точке, что приводит к необратимому разрушению соединения.

Базовая электроника - диоды перехода

,

Существует много типов диодов в зависимости от многих факторов, таких как используемая частота, их работа и конструкция, их применение и т. Д. Давайте рассмотрим несколько из них.

Соединительные диоды

Соединительные диоды являются обычными PN, но отличаются по конструкции. Существует три типа соединительных диодов, как показано на следующем рисунке.

Диоды перехода

Выпрямительный диод

Эти диоды являются обычными PN-переходами, которые позволяют току течь через них только в одном направлении и останавливаются в другом направлении. Эти диоды используются в цепях выпрямителя для преобразования переменного тока в постоянный ток.

Выпрямительный диод

На приведенном выше рисунке мы видим те же выпрямительные диоды с металлической проекцией. Это добавляется к диоду, чтобы минимизировать распределение тепла, которое иногда может влиять на диод. Такой металлический выступ называется теплоотводом . Это помогает в улучшении рабочих характеристик диодов, и диоды смогут выдерживать высокие мощности, не подвергаясь воздействию.

Существуют схемы, такие как полуволновые выпрямители и двухполупериодные схемы, которые используют эти диоды. Эти схемы обсуждаются в руководстве по электронным схемам. Эти выпрямительные схемы используются в секциях электропитания многих цепей, где переменный входной ток должен быть преобразован в постоянный ток для применений этой цепи.

Стабилитрон

Это особый тип диода, который пропускает ток не только в прямом, но и в обратном направлении. Обычный диод, работающий в обратном смещении, повреждается, если через него пропускается обратный ток выше определенного значения. Это «определенное значение» называется напряжением пробоя .

Напряжение пробоя стабилитрона очень низкое. Но этот диод позволяет обратному току проходить через него после превышения напряжения пробоя . Это напряжение пробоя называется напряжением стабилитрона . Следовательно, существует управляемый пробой, который не повреждает диод, когда обратный ток выше напряжения стабилитрона проходит через стабилитрон.

Стабилитрон

Стабилитрон в своем обратном смещении демонстрирует контролируемое напряжение пробоя и позволяет току сохранять значение напряжения на этом стабилитроне вблизи значения напряжения пробоя Зенера. Это значение напряжения пробоя стабилитрона позволяет выбрать любой стабилитрон для определенных применений.

Лавинный диод - это другой диод, который имеет аналогичные характеристики стабилитрона. Лавинный пробой происходит по всему PN-переходу, когда падение напряжения постоянно и не зависит от тока. Этот лавинный диод используется для фотодетектирования.

VI Характеристики стабилитрона

Характеристики VI стабилитрона являются общими для любого диода при работе в прямом смещении. Но работа обратного смещения стабилитрона делает это очень важным для рассмотрения. Давайте посмотрим на график.

Лавинный диод

Точкой, в которой изгиб показан в режиме обратного смещения, является напряжение пробоя стабилитрона , после которого диод пропускает через него большие обратные токи. Это напряжение стабилитрона обозначено V Z. Это невероятное качество стабилитрона сделало его самым надежным и имело множество применений.

Применение стабилитрона

Этот диод имеет много применений, таких как -

  • В основном он используется в качестве регулятора напряжения.
  • Обеспечивает фиксированное опорное напряжение в транзисторной смещающих цепей.
  • Для ограничения пиков или ограничения в схемах формирования волны.
  • Как сетевой фильтр во многих цепях.
  • Для защиты счетчика от повреждений при случайном применении.

Диод переключения

Это обычный однополюсный переходный диод, специально разработанный для коммутации. Этот диод может демонстрировать два состояния высокого и низкого сопротивления, которые могут использоваться альтернативно.

Диод переключения

Емкость перехода этого диода сделана очень низкой, чтобы минимизировать другие эффекты. Скорость переключения сделана довольно высокой. Когда диод имеет высокое сопротивление, он работает как разомкнутый переключатель и действует как замкнутый переключатель при низком сопротивлении. Этот переход происходит с большей скоростью в переключающем диоде, чем в любом обычном.

Применения переключающего диода

У них есть много приложений, таких как -

  • Используется в скоростных выпрямительных цепях
  • Используется в кольцевых модуляторах
  • Используется в радиочастотных приемниках
  • Используется в качестве защитников обратной полярности
  • Используется как для общего, так и для высокоскоростного переключения

Базовая электроника - диоды специального назначения

Есть несколько диодов, которые предназначены для специальных целей. Существует много таких типов, как диоды для подавления переходных напряжений, диоды, легированные золотом, диоды с супербарьером, диоды с точечным контактом, диоды Пельтье и т. Д. Но кроме них существует несколько известных диодов, которые получили много применений. Давайте пройдемся по ним.

Варактор Диод

Соединительный диод имеет два потенциала с обеих сторон, где область обеднения может действовать как диэлектрик. Следовательно, существует емкость. Диод Varactor представляет собой особый диод, который работает в обратном смещении, где емкость перехода изменяется.

Varactor диод также называется Vari Cap или Volt Cap . На следующем рисунке показан диод Varactor, подключенный в обратном смещении.

Варактор Диод

Если приложенное обратное напряжение увеличивается, ширина диэлектрической области увеличивается , что уменьшает емкость соединения . Когда обратное напряжение уменьшается, ширина диэлектрика уменьшается, что увеличивает емкость. Если это обратное напряжение полностью равно null , то емкость будет максимальной .

Емкость Напряжение

На следующем рисунке показаны различные символы, используемые для диода Varactor, который представляет его функцию.

Varactor Diode Symbol

Хотя у всех диодов есть эта емкость перехода, Варакторный диод главным образом изготовлен, чтобы использовать этот эффект и увеличить изменения в этой емкости перехода.

Практический диод Varactor

Применение Varactor диода

Этот диод имеет много применений, таких как -

  • Он используется в качестве переменного конденсатора напряжения.
  • Он используется в переменной цепи бака LC.
  • Используется в качестве автоматического контроля частоты.
  • Используется как частотный модулятор.
  • Используется как РЧ-фазовращатель.
  • Используется в качестве умножителя частоты в цепях гетеродина.

Туннельный диод

Если концентрация примеси в нормальном PN-переходе сильно увеличивается, образуется этот туннельный диод . Это также известно как диод Esaki , после его изобретателя.

Когда концентрация примесей в диоде увеличивается, ширина области обеднения уменьшается, распространяя некоторую дополнительную силу на носители заряда, чтобы пересечь переход. При дальнейшем увеличении этой концентрации из-за меньшей ширины области обеднения и повышенной энергии носителей заряда они проникают через потенциальный барьер, а не поднимаются над ним. Это проникновение можно понимать как туннелирование и, следовательно, название, туннельный диод .

Туннельный Диод

Туннельные диоды представляют собой устройства с низким энергопотреблением, и с ними следует обращаться осторожно, поскольку они легко подвержены воздействию тепла и статического электричества. Туннельный диод имеет особые характеристики ВИ, которые объясняют их работу. Давайте посмотрим на график ниже.

VI туннельный диод

Считайте, что диод находится в прямом смещенном состоянии . Когда прямое напряжение увеличивается, ток быстро увеличивается, и он увеличивается до пиковой точки, называемой пиковым током, обозначенной I P. Напряжение в этой точке называется пиковым напряжением , обозначаемым V P. Эта точка обозначена буквой А на приведенном выше графике.

Если напряжение дополнительно увеличивается за пределы V P , то ток начинает уменьшаться. Оно уменьшается до точки, называемой Долинным течением , обозначенной I V. Напряжение в этой точке называется напряжением в долине , обозначаемым V V. Эта точка обозначена буквой B на приведенном выше графике.

Если напряжение увеличивается дальше, ток увеличивается как в обычном диоде. Для больших значений прямого напряжения ток увеличивается дальше.

Если мы считаем, что диод находится в состоянии с обратным смещением , то диод действует как отличный проводник при увеличении обратного напряжения. Диод здесь действует как в области отрицательного сопротивления.

Применение туннельного диода

Существует много приложений для туннельного диода, таких как -

  • Используется как высокоскоростное коммутационное устройство
  • Используется в качестве запоминающего устройства
  • Используется в СВЧ-генераторах
  • Используется в генераторах релаксации

Диод Шоттки

Это особый тип диода, в котором PN-переход заменяется металлическим полупроводниковым переходом. Полупроводник P-типа в обычном PN-переходном диоде заменяется металлом, а материал N-типа соединяется с металлом. Эта комбинация не имеет области истощения между ними. На следующем рисунке показан диод Шоттки и его символ.

Диод Шоттки

Металл, используемый в этом диоде Шоттки, может быть золотом, серебром, платиной или вольфрамом и т. Д. Кроме того, для полупроводникового материала, отличного от кремния, в основном используется арсенид галлия.

Диод Шоттки

операция

Когда напряжение не приложено или когда цепь несмещена, электроны в материале N-типа имеют более низкий уровень энергии, чем электроны в металле. Если затем диод смещен вперед, эти электроны в N-типе приобретают некоторую энергию и движутся с некоторой более высокой энергией. Следовательно, эти электроны называются горячими носителями .

На следующем рисунке показан диод Шоттки, подключенный в цепи.

операция

преимущества

Есть много преимуществ диода Шоттки, таких как -

  • Это однополярное устройство, поэтому обратные токи не образуются.
  • Его прямое сопротивление низкое.
  • Падения напряжения очень низкие.
  • Выпрямление быстро и легко с диодом Шоттки.
  • Отсутствует область истощения и, следовательно, емкость перехода. Итак, диод быстро переходит в положение ВЫКЛ.

Приложения

Есть много применений диода Шоттки, таких как -

  • Используется в качестве детектора диода
  • Используется как силовой выпрямитель
  • Используется в радиочастотных микшерных цепях
  • Используется в силовых цепях
  • Используется в качестве зажимных диодов

Базовая электроника - оптоэлектронные диоды

Это диоды, которые работают на свету. Слово «Опто» означает « Свет» . Существуют типы, которые проводят в зависимости от интенсивности света и других типов, проводимость которых дает некоторое количество света. У каждого типа есть свои приложения. Давайте обсудим выдающиеся типы среди этих.

Некоторые диоды проводят по интенсивности падающего на них света. В этой категории есть два основных типа диодов. Это фотодиоды и солнечные батареи.

Фотодиод

Фотодиод, как следует из названия, представляет собой PN-переход, который работает на свету. Интенсивность света влияет на уровень проводимости в этом диоде. Фотодиод имеет материал типа P и материал типа N с внутренним материалом или областью обеднения между ними.

Этот диод обычно работает в режиме обратного смещения . При фокусировке света в области обеднения образуются электронно-дырочные пары и возникает поток электронов. Эта проводимость электронов зависит от интенсивности сфокусированного света. На рисунке ниже показан практичный фотодиод.

Фотодиод

На рисунке ниже обозначен символ для фотодиода.

Фотодиод Символ

Когда диод подключен в обратном смещении, небольшой ток обратного насыщения протекает из-за термически генерируемых пар электронных дырок. Поскольку ток в обратном смещении течет из-за неосновных носителей, выходное напряжение зависит от этого обратного тока. По мере того, как интенсивность света, сфокусированного на соединении, увеличивается, ток, текущий из-за неосновных носителей, увеличивается. На следующем рисунке показана основная схема смещения фотодиода.

Фотодиоды смещения

Фотодиод заключен в стеклянную упаковку, чтобы свет падал на него. Чтобы точно сфокусировать свет на области истощения диода, над переходом размещается линза, как показано выше.

Даже когда света нет, течет небольшое количество тока, которое называется Темным током. Изменяя уровень освещения, можно изменить обратный ток.

Преимущества фотодиода

Фотодиод имеет много преимуществ, таких как -

  • Тихий шум
  • Высокий коэффициент усиления
  • Высокая скорость работы
  • Высокая чувствительность к свету
  • Бюджетный
  • Маленький размер
  • Долгая жизнь

Применение фотодиодов

Есть много приложений для фотодиодов, таких как -

  • Обнаружение персонажа
  • Объекты могут быть обнаружены (видимые или невидимые).
  • Используется в цепях, требующих высокой стабильности и скорости.
  • Используется в демодуляции
  • Используется в коммутационных цепях
  • Используется в кодировщиках
  • Используется в оптическом оборудовании связи

Другой диод такого типа - солнечная батарея. Это называется ячейкой, хотя это диод. Давайте углубимся в детали.

Солнечная батарея

Светозависимые диоды включают солнечный элемент, который является нормальным диодным PN-переходом, но имеет проводимость благодаря потоку фотонов, которые преобразуются в поток электронов. Это похоже на фотодиод, но он имеет другую цель преобразования максимального падающего света в энергию и сохранения его.

На рисунке ниже представлен символ солнечного элемента.

Солнечная батарея

У солнечного элемента есть свое имя и символ, указывающий на накопление энергии, хотя это диод. Особенность извлечения большей энергии и ее хранения сосредоточена в солнечном элементе.

Строительство Солнечной батареи

Соединительный диод PN с внутренним материалом в области делеции сделан для инкапсуляции в стекле. Свет направлен на максимально возможную площадь с тонким стеклом в верхней части, чтобы собрать максимум света с минимальным сопротивлением.

На следующем рисунке показана конструкция солнечного элемента.

Строительство солнечных батарей

Когда свет падает на солнечный элемент, его фотоны сталкиваются с валентными электронами. Электроны заряжены, чтобы покинуть родительские атомы. Таким образом генерируется поток электронов, и этот ток прямо пропорционален интенсивности света, сфокусированного на солнечном элементе. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом .

На следующем рисунке показано, как выглядит солнечный элемент и как несколько солнечных элементов вместе образуют солнечную панель.

Солнечная панель

Разница между фотодиодом и солнечным элементом

Фотодиод работает быстрее и концентрируется на переключении, а не обеспечивает большую мощность на выходе. Из-за этого он имеет низкое значение емкости. Также область падения световой энергии меньше в фотодиодах, в соответствии с его применениями.

Солнечный элемент концентрируется на доставке высокой выходной энергии и хранении энергии. Это имеет высокое значение емкости . Операция немного медленнее, чем фотодиод. В соответствии с назначением солнечного элемента площадь падения света больше, чем у фотодиода.

Применение солнечной батареи

Есть много приложений для солнечных батарей, таких как -

Наука и технология

  • Используется в солнечных панелях для спутников
  • Используется в телеметрии
  • Используется в системах удаленного освещения и т. Д.

Коммерческое использование

  • Используется в солнечных панелях для хранения электроэнергии
  • Используется в портативных источниках питания и т. Д.
  • Используется в быту, например, для приготовления пищи и обогрева с использованием солнечной энергии.

Электронный

  • Часы
  • Калькуляторы
  • Электронные игрушки и др.

Некоторые диоды излучают свет в соответствии с приложенным напряжением. В этой категории есть два основных типа диодов. Это светодиоды и лазерные диоды.

LED (светоизлучающие диоды)

Это один из самых популярных диодов, используемых в нашей повседневной жизни. Это также обычный диод с PN-переходом, за исключением того, что вместо кремния и германия в его конструкции используются такие материалы, как арсенид галлия, фосфид арсенида галлия.

На рисунке ниже показан символ светодиода.

СВЕТОДИОД

Как и обычный диод PN-перехода, он подключен в состоянии прямого смещения, так что диод проводит. Проводимость происходит в светодиоде, когда свободные электроны в зоне проводимости соединяются с отверстиями в валентной зоне. Этот процесс рекомбинации излучает свет . Этот процесс называется электролюминесценцией . Цвет излучаемого света зависит от зазора между энергетическими полосами.

Используемые материалы также влияют на цвет, как, например, фосфид арсенида галлия излучает красный или желтый, фосфид галлия излучает красный или зеленый, а нитрат галлия излучает синий свет. Принимая во внимание, что арсенид галлия излучает инфракрасный свет. Светодиоды для невидимого инфракрасного света используются в основном в пультах дистанционного управления.

На следующем рисунке показано, как выглядят практичные светодиоды разных цветов.

светодиоды

Светодиод на приведенном выше рисунке имеет плоскую сторону и изогнутую сторону, провод на плоской стороне выполнен короче другого, чтобы указать, что более коротким является катодный или отрицательный вывод, а другим - анодный или положительный вывод. ,

Основная структура светодиода показана на рисунке ниже.

Светодиодная конструкция

Как показано на рисунке выше, когда электроны прыгают в отверстия, энергия рассеивается в виде света самопроизвольно. Светодиод является токовозависимым устройством. Интенсивность выходного света зависит от тока через диод.

Преимущества светодиодов

Есть много преимуществ светодиодов, таких как -

  • Высокая эффективность
  • Высокоскоростной
  • Высокая надежность
  • Низкое тепловыделение
  • Большая продолжительность жизни
  • Бюджетный
  • Легко контролируется и программируется
  • Высокий уровень яркости и интенсивности
  • Требования к низкому напряжению и току
  • Требуется меньше проводки
  • Низкие эксплуатационные расходы
  • Нет УФ-излучения
  • Эффект мгновенного освещения

Применение светодиодов

Есть много приложений для светодиодов, таких как -

В дисплеях

  • Специально используется для отображения семи сегментов
  • Цифровые часы
  • Микроволновые печи
  • Дорожная сигнализация
  • Выставочные стенды на железных дорогах и в общественных местах
  • игрушки

В электронной технике

  • Стерео тюнеры
  • Калькуляторы
  • Источники постоянного тока
  • Индикаторы включения / выключения в усилителях
  • Индикаторы мощности

Коммерческое использование

  • Инфракрасные считываемые машины
  • Считыватели штрих-кода
  • Твердотельные видео дисплеи

Оптическая связь

  • В приложениях оптической коммутации
  • Для оптической связи, где ручная помощь недоступна
  • Передача информации через ВОК
  • Схемы восприятия изображения
  • Охранная сигнализация
  • В железнодорожной технике сигнализации
  • Дверные и другие системы контроля безопасности

Подобно тому, как светодиод имеет много преимуществ и применений, существует еще один важный диод, называемый лазерный диод, который также имеет много расширенных функций и возможностей в будущем. Давайте поговорим о лазерном диоде.

Лазерный диод

Лазерный диод является еще одним популярным диодом в своем роде. Это оптический диод, который излучает свет, но с стимулированным процессом. Название LASER подразумевает L ight A усиление S timulated E миссии R adiation.

Лазерный диод

Вынужденная эмиссия

Это диод PN-перехода, действие которого начинается, когда на него падает луч света. С помощью светового луча, когда фотоны падают на атом, атом возбуждается и достигает верхнего уровня, который можно назвать более высоким энергетическим уровнем .

Когда атом переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень , он выделяет два фотона, которые по своим характеристикам аналогичны падающему фотону и находятся в равной фазе с ним. Этот процесс называется стимулированным излучением . Обычно атом может оставаться в этом возбужденном состоянии в течение 10 -8 секунд .

Итак, вышеуказанный процесс устанавливает принцип действия лазерного диода.

Принцип лазерного диода

Всякий раз, когда фотон падает на атом, этот атом возбуждается из состояния с более низкой энергией в состояние с более высокой энергией, и два фотона высвобождаются в этом процессе. Фактически, атом обычно может оставаться в этом возбужденном состоянии в течение 10 -8 секунд. Таким образом, для достижения усиления во время этого возбужденного процесса атом переводится в другое состояние, называемое метастабильным состоянием, которое находится ниже более высокого энергетического уровня и выше более низкого энергетического уровня.

Атом может оставаться в этом метастабильном состоянии в течение 10 -3 секунд. Пока атом попадает из этого в нижнее состояние, два фотона высвобождаются. Если в возбужденном состоянии находится большее количество атомов до того, как фотоны поразят атомы, то мы получим эффект генерации .

Принцип лазерного диода

В этом процессе нам нужно понять два термина. Наличие большего числа атомов в метастабильном состоянии, чем в состоянии с более низкой энергией или в основном состоянии, называется инверсией населения . Тогда энергия, которая позволяет атомам отправляться из состояния с более низкой энергией в состояние с более высокой энергией для достижения инверсии населенности, называется накачкой . Это оптическая накачка .

Практический лазерный диод

преимущества

Есть много преимуществ лазерного диода, таких как -

  • Мощность, используемая лазерными диодами, значительно меньше
  • Более высокая скорость включения / выключения
  • Более компактный
  • Дешевле
  • Они дешевле лазерных генераторов
  • Меньше шансов на поражение электрическим током

Недостатки

Есть несколько недостатков лазерного диода, таких как -

  • Более расходящиеся лучи и, следовательно, качество не так хорошо
  • Их срок службы меньше по сравнению со светодиодом.
  • Склонен к повреждению при нестабильном питании

Приложения

Есть много применений лазерного диода, таких как -

  • Используется как лазер накачки и лазер для семян

  • Используется в оптических устройствах хранения данных

  • Используется в лазерных принтерах и лазерных факсах

  • Используется в лазерных указках

  • Используется в считывателях штрих-кодов

  • Они используются в приводах DVD и CD

  • Используется в технологиях HD DVD и BLU RAY

  • Имеет много промышленных целей, таких как термообработка, облицовка, сварка шва и т. Д.

  • Имеет много применений в коммуникационных технологиях, таких как связывание и передача данных.

Пройдя через все это, давайте попробуем понять несколько терминов.

Компонент

  • Компоненты являются отдельными базовыми элементами электроники.
  • Они имеют разные свойства по отношению к их конструкции.
  • Каждый компонент имеет разные приложения.

Ex - резистор, конденсатор, диод и т. Д.

схема

  • Цепь представляет собой сеть различных компонентов
  • Компоненты в цепи, в целом, выживают по назначению.
  • Если цепь должна быть активной, должен содержать источник питания.

Ex - схемы клипсатора и зажима, цепи усилителя, цепи реле и т. Д.

устройство

  • Устройство - это оборудование, состоящее из разных цепей.

  • Все схемы в устройстве помогают ему функционировать, чтобы служить своей цели.

  • Устройство может использоваться для измерения сигналов, генерации сигналов, контроля результатов или защиты цепей и так далее.

Ex - CRO, генератор функций и т. Д.

Твердотельные устройства

Раньше у нас были вакуумные трубки, которые работают по термоэлектронному принципу и внутри заполнены вакуумом. Они были больше по размеру, чем сегодняшние компоненты. Эти вакуумные трубки были заменены полупроводниковыми устройствами, которые также называются твердотельными устройствами .

Активные устройства

Устройства (или точно компоненты), которые могут управлять потоком тока, можно назвать активными устройствами.

  • Они требуют некоторого входного питания, чтобы войти в проводимость.
  • Работа этих компонентов определяет поведение схемы.

Ex - Вакуумные трубки, диоды, транзисторы, SCR

Пассивные устройства

Устройства (или точно компоненты), которые не могут управлять потоком тока, можно назвать пассивными устройствами.

  • Они не требуют ввода питания для работы.
  • Работа этих компонентов немного меняет поведение схемы.

Ex - резистор, конденсатор, индуктор и т. Д.

Легирование

Процесс добавления электронов или создания дырок для изменения характеристик полупроводникового материала, либо путем создания более положительного, либо путем создания более отрицательного, можно понимать как допинг .

Применение диодов включает в себя множество цепей, начиная от цепей ограничителя и зажима, что будет обсуждаться в руководстве по электронным схемам.

Базовая электроника - транзисторы

Получив хорошие знания о работе диода, который представляет собой одиночный PN-переход, давайте попробуем соединить два PN-перехода, которые образуют новый компонент под названием Transistor . Транзистор - это трехполюсное полупроводниковое устройство, которое регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для сигналов.

Зачем нам нужны транзисторы?

Предположим, что у вас есть FM-приемник, который захватывает нужный вам сигнал. Полученный сигнал, очевидно, будет слабым из-за помех, с которыми он столкнется во время своего путешествия. Теперь, если этот сигнал читается как есть, вы не можете получить достоверный вывод. Следовательно, нам нужно усилить сигнал. Усиление означает увеличение силы сигнала.

Это всего лишь пример. Усиление необходимо везде, где необходимо увеличить мощность сигнала. Это сделано транзистором. Транзистор также действует как переключатель для выбора между доступными опциями. Он также регулирует входящий ток и напряжение сигналов.

Конструктивные детали транзистора

Транзистор представляет собой трехполюсное твердотельное устройство, которое формируется путем подключения двух диодов друг к другу. Следовательно, у него есть два PN перехода . Три клеммы вытянуты из трех полупроводниковых материалов, присутствующих в нем. Этот тип подключения предлагает два типа транзисторов. Это PNP и NPN, что означает материал N-типа между двумя P-типами, а другой материал типа P между двумя N-типами соответственно.

Конструкция транзисторов показана на следующем рисунке, который объясняет идею, рассмотренную выше.

Строительство Транзистора

Три клеммы, взятые из транзистора, обозначают клеммы эмиттера, базы и коллектора. Они имеют свою функциональность, как описано ниже.

эмиттер

  • Левая сторона вышеописанной конструкции может пониматься как излучатель .

  • Он имеет умеренный размер и сильно легирован, поскольку его основной функцией является подача нескольких основных носителей , то есть электронов или дырок.

  • Поскольку это испускает электроны, это называется Эмиттером.

  • Это просто обозначено буквой Е.

База

  • Средний материал на рисунке выше - Основа .

  • Это тонкий и слегка легированный .

  • Его основная функция заключается в передаче большинства носителей от эмиттера к коллектору.

  • Это обозначено буквой B.

Коллекционер

  • Материал с правой стороны на приведенном выше рисунке можно понимать как коллектор .

  • Его название подразумевает его функцию сбора носителей .

  • Это немного больше по размеру, чем излучатель и база. Это умеренно легированный .

  • На это указывает буква C.

Символы транзисторов PNP и NPN показаны ниже.

Символы Транзисторов

Стрелка на приведенных выше рисунках указывает на эмиттер транзистора. Поскольку коллектор транзистора должен рассеивать гораздо большую мощность, он становится большим. Благодаря специфическим функциям излучателя и коллектора они не являются взаимозаменяемыми . Следовательно, клеммы всегда следует учитывать при использовании транзистора.

В практическом транзисторе рядом с выводом эмиттера имеется выемка для идентификации. Транзисторы PNP и NPN можно дифференцировать с помощью мультиметра. На следующем рисунке показано, как выглядят разные практические транзисторы.

Практические Транзисторы

Мы уже обсуждали конструктивные детали транзистора, но чтобы понять работу транзистора, сначала нам нужно знать о смещении.

Транзистор смещения

Поскольку мы знаем, что транзистор представляет собой комбинацию из двух диодов, у нас есть два перехода здесь. Так как одно соединение находится между эмиттером и базой, которое называется соединением эмиттер -база, и аналогично, другое соединение коллектор-база .

Смещение контролирует работу схемы, обеспечивая источник питания. Функция обоих PN-переходов контролируется путем обеспечения смещения цепи через некоторый источник постоянного тока. На рисунке ниже показано, как смещен транзистор.

Транзисторы смещения

Посмотрев на рисунок выше, мы понимаем, что

  • Материал N-типа снабжен отрицательной подачей, а материал Р-типа - положительной, чтобы создать прямое смещение в цепи.

  • Материал N-типа имеет положительную подачу, а материал P-типа имеет отрицательную подачу, чтобы вызвать обратное смещение цепи.

При подаче питания базовое соединение эмиттера всегда смещено вперед, так как сопротивление эмиттера очень мало. Основание коллектора коллектора имеет обратное смещение, и его сопротивление немного выше. Небольшого прямого смещения достаточно в соединении эмиттера, в то время как высокое обратное смещение должно быть применено в коллекторном соединении.

Направление тока, указанное в схемах выше, также называемое условным током, представляет собой движение тока дырок, противоположное току электронов .

Операция PNP Транзистор

Работу PNP-транзистора можно объяснить, посмотрев на следующий рисунок, на котором соединение эмиттер-база смещено вперед, а соединение коллектор-база смещено обратно.

Операция PNP

Напряжение V EE обеспечивает положительный потенциал на эмиттере, который отталкивает отверстия в материале P-типа, и эти отверстия пересекают переход эмиттер-основание, чтобы достичь базовой области. Там очень низкий процент дырок рекомбинирует со свободными электронами N-области. Это обеспечивает очень низкий ток, который составляет базовый ток I B. Оставшиеся отверстия пересекают коллектор-основание, образуя ток коллектора I C , который является током отверстия.

Когда отверстие достигает клеммы коллектора, электрон от отрицательной клеммы аккумулятора заполняет пространство в коллекторе. Этот поток медленно увеличивается, и меньший ток электрона течет через эмиттер, где каждый электрон, попадающий на положительную клемму V EE , заменяется отверстием, двигаясь в направлении соединения эмиттера. Это составляет ток эмиттера I E.

Следовательно, мы можем понять, что -

  • Проводимость в транзисторе PNP проходит через отверстия.
  • Ток коллектора немного меньше тока эмиттера.
  • Увеличение или уменьшение тока эмиттера влияет на ток коллектора.

Операция NPN Транзистор

Работу NPN-транзистора можно объяснить, посмотрев на следующую фигуру, на которой соединение эмиттер-база смещено в прямом направлении, а соединение коллектор-база имеет обратное смещение.

NPN Операция

Напряжение V EE обеспечивает отрицательный потенциал на эмиттере, который отталкивает электроны в материале N-типа, и эти электроны пересекают переход эмиттер-основание, чтобы достичь базовой области. Там очень низкий процент электронов рекомбинирует со свободными дырками P-области. Это обеспечивает очень низкий ток, который составляет базовый ток I B. Оставшиеся отверстия пересекают коллектор-основание, образуя ток коллектора I C.

Когда электрон выходит из коллектора и входит в положительную клемму батареи, электрон от отрицательной клеммы батареи V EE входит в область эмиттера. Этот поток медленно увеличивается, и электрический ток течет через транзистор.

Следовательно, мы можем понять, что -

  • Проводимость в NPN-транзисторе происходит через электроны.
  • Ток коллектора выше, чем ток эмиттера.
  • Увеличение или уменьшение тока эмиттера влияет на ток коллектора.

преимущества

Есть много преимуществ транзистора, таких как -

  • Усиление высокого напряжения.
  • Более низкого напряжения питания достаточно.
  • Наиболее подходит для приложений с низким энергопотреблением.
  • Меньше и легче по весу.
  • Механически прочнее, чем вакуумные трубки.
  • Не требуется внешний нагрев, как вакуумные трубки.
  • Очень подходит для интеграции с резисторами и диодами для производства интегральных схем.

Есть несколько недостатков, так как они не могут быть использованы для приложений с высокой мощностью из-за меньшего рассеивания мощности. Они имеют более низкий входной импеданс и зависят от температуры.

Базовая электроника - конфигурации транзисторов

Транзистор имеет 3 клеммы, эмиттер, базу и коллектор. Используя эти 3 клеммы, транзистор может быть подключен в цепи с одной клеммой, общей для обоих входов и выходов в 3 различных возможных конфигурациях.

Три типа конфигураций: конфигурации Common Base, Common Emitter и Common Collector . В каждой конфигурации эмиттерный контакт смещен в прямом направлении, а коллекторный контакт - в обратном направлении.

Общая база (CB) Конфигурация

Само название подразумевает, что базовая клемма используется как общая клемма для входа и выхода транзистора. Общее базовое соединение для транзисторов NPN и PNP показано на следующем рисунке.

Конфигурация CB

Для понимания рассмотрим NPN-транзистор в конфигурации CB. Когда на эмиттер подается напряжение, поскольку оно смещено в прямом направлении, электроны от отрицательного вывода отталкивают электроны эмиттера, и ток течет через эмиттер и основание к коллектору, чтобы внести ток коллектора. Напряжение коллектора V CB поддерживается постоянным на протяжении всего этого.

В конфигурации CB входной ток - это ток эмиттера I E, а выходной ток - ток коллектора I C.

Коэффициент усиления тока (α)

Отношение изменения тока коллектора ($ \ Delta I_ {C} $) к изменению тока эмиттера ($ \ Delta I_ {E} $), когда напряжение коллектора V CB поддерживается постоянным, называется коэффициентом усиления тока . Обозначается через α.

$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} \: \: at \: константа \: V_ {CB} $$

Выражение для тока коллектора

Имея идею выше, давайте попробуем нарисовать некоторое выражение для тока коллектора. Наряду с протекающим током эмиттера существует некоторое количество базового тока IB, который протекает через базовый вывод из-за рекомбинации электронных дырок. Поскольку соединение коллектор-база имеет обратное смещение, существует другой ток, который протекает из-за неосновных носителей заряда. Это ток утечки, который можно понимать как утечка . Это связано с меньшим количеством носителей заряда и, следовательно, очень мало.

Ток эмиттера, который достигает коллектора, равен

$$ \ mathbf {\ mathit {\ alpha I_ {E}}} $$

Общий ток коллектора

$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {утечка} $$

Если напряжение на базе эмиттера V EB = 0, даже тогда протекает небольшой ток утечки, который можно назвать I CBO (ток на базе коллектора с открытым выходом).

Следовательно, ток коллектора может быть выражен как

$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {Е} \: = \: I_ {C}, \ + \: I_ {B}, $$

$$ I_ {C}, \: = \: \ альфа (I_ {C}, \ + \: I_ {B}) \ + \: I_ {СВО} $$

$$ I_ {C} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: \ alpha I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {I_ {CBO}}} { 1 \: - \: \ альфа}) $$

$$ I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {1} {1 \: - \: \ альфа}) I_ {СВО} $$

Следовательно, полученное выше выражение является выражением для тока коллектора. Значение тока коллектора зависит от тока базы и тока утечки, а также от коэффициента усиления тока используемого транзистора.

Характеристики конфигурации CB

  • Эта конфигурация обеспечивает усиление напряжения, но не дает усиления тока.

  • При постоянном значении V CB при небольшом увеличении напряжения на базе эмиттера V EB ток эмиттера I E увеличивается.

  • Ток эмиттера I E не зависит от напряжения коллектора V CB .

  • Напряжение коллектора V CB может влиять на ток коллектора I C только при низких напряжениях, когда V EB поддерживается постоянным.

  • Входное сопротивление ri - это отношение изменения базового напряжения эмиттера ($ \ Delta {V_ {EB}} $) к изменению тока эмиттера ($ \ Delta {I_ {E}} $) при постоянном базовом напряжении коллектора V CB .

    $$ \ ETA \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {V_ {ЕВ}}} {\ Delta {I_ {Е}}} \: \: в \: константы \: V_ {CB} $$

  • Поскольку входное сопротивление имеет очень низкое значение, достаточно небольшого значения V EB , чтобы создать большой ток тока эмиттерного тока I E.

  • Выходное сопротивление r o - это отношение изменения базового напряжения коллектора ($ \ Delta {V_ {CB}} $) к изменению тока коллектора ($ \ Delta {I_ {C}} $) при постоянном токе эмиттера I Э.

    $$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CB}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: at \: constant \: l_ {E} $$

  • Поскольку выходное сопротивление имеет очень высокое значение, большое изменение V CB приводит к очень небольшому изменению тока коллектора I C.

  • Эта конфигурация обеспечивает хорошую стабильность против повышения температуры.

  • Конфигурация CB используется для высокочастотных применений.

Конфигурация с общим эмиттером (CE)

Само название подразумевает, что клемма эмиттера используется как общая клемма для входа и выхода транзистора. Общее подключение эмиттера для транзисторов NPN и PNP показано на следующем рисунке.

Конфигурация CE

Как и в конфигурации CB, эмиттерный контакт смещен в прямом направлении, а коллекторный контакт - в обратном направлении. Поток электронов контролируется таким же образом. Входной ток - это базовый ток I B, а выходной ток - ток коллектора I C здесь.

Коэффициент усиления базового тока (β)

Отношение изменения тока коллектора ($ \ Delta {I_ {C}} $) к изменению базового тока ($ \ Delta {I_ {B}} $) известно как коэффициент усиления базового тока . Обозначается через

$$ \ бета \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

Связь между β и α

Попробуем вывести соотношение между коэффициентом усиления базового тока и коэффициентом усиления тока эмиттера.

$$ \ бета \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

$$ \ альфа \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {Е}}} $$

$$ I_ {Е} \: = \: I_ {B}, \ + \: I_ {C}, $$

$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$

$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$

Мы можем написать

$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$

Деление на $$

$$ \ beta \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$

$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} $$

У нас есть

$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} $$

Следовательно,

$$ \ бета \: = \: \ гидроразрыва {\ альфа} {1- \ альфа} $$

Из приведенного выше уравнения очевидно, что при приближении α к 1, β достигает бесконечности.

Следовательно, коэффициент усиления по току в соединении с общим эмиттером очень высок . По этой причине это схемное соединение в основном используется во всех транзисторных приложениях.

Выражение для тока коллектора

В конфигурации с общим эмиттером I B - входной ток, а I C - выходной ток.

Мы знаем

$$ I_ {Е} \: = \: I_ {B}, \ + \: I_ {C}, $$

И

$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ = \: \ alpha (I_ {B} \: + \: I_ {C}) \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {C} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: \ alpha I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {C}, \: = \: \ гидроразрыва {\ альфа} {1- \ альфа} I_ {B}, \ + \: \ гидроразрыва {1} {1- \ альфа} \: I_ {СВО} $ $

Если базовая цепь разомкнута, т.е. если I B = 0,

Коллектор эмиттер тока с открытой базой генерального директора

$$ I_ {генеральный директор} \: = \: \ гидроразрыва {1} {1- \ альфа} \: I_ {СВО} $$

Подставляя значение этого в предыдущее уравнение, получим

$$ I_ {C}, \: = \: \ гидроразрыва {\ альфа} {1- \ альфа} I_ {B}, \ + \: I_ {генеральный директор} $$

$$ I_ {C} \: = \: \ beta I_ {B} \: + \: I_ {CEO} $$

Отсюда получается уравнение для тока коллектора.

Колено Напряжение

В конфигурации CE, поддерживая постоянный ток I B базы, если V CE изменяется, I C увеличивается почти до 1 В от V CE и остается постоянным после этого. Это значение V CE, до которого ток коллектора I C изменяется с V CE , называется напряжением на колене . Транзисторы, работая в конфигурации CE, работают с напряжением выше колена.

Характеристики конфигурации CE

  • Эта конфигурация обеспечивает хорошее усиление тока и напряжения.

  • Сохраняя V CE постоянным, при небольшом увеличении V BE базовый ток I B увеличивается быстрее, чем в конфигурациях CB.

  • Для любого значения V CE выше напряжения колена I C приблизительно равно β I B.

  • Входное сопротивление r i представляет собой отношение изменения базового напряжения эмиттера ($ \ Delta {V_ {BE}} $) к изменению базового тока ($ \ Delta {I_ {B}} $) при постоянном напряжении эмиттера коллектора V CE .

    $$ R_ {я} \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {V_ {BE}}} {\ Delta {I_ {В}}} \: в \: константы \: V_ {CE} $$

  • Поскольку входное сопротивление имеет очень низкое значение, достаточно небольшого значения V BE , чтобы создать большой ток тока базового тока I B.

  • Выходное сопротивление r o представляет собой отношение изменения напряжения эмиттера коллектора ($ \ Delta {V_ {CE}} $) к изменению тока коллектора ($ \ Delta {I_ {C}} $) при постоянной I B.

    $$ R_ {O} \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {V_ {CE}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: в \: константы \: I_ {B}, $$

  • Поскольку выходное сопротивление цепи CE меньше, чем сопротивление цепи CB.

  • Эта конфигурация обычно используется для методов стабилизации смещения и применения звуковых частот.

Конфигурация с общим коллектором (CC)

Само название подразумевает, что клемма коллектора используется как общая клемма для входа и выхода транзистора. Подключение общего коллектора для транзисторов NPN и PNP показано на следующем рисунке.

Конфигурация CC

Как и в конфигурациях CB и CE, эмиттерный контакт смещен в прямом направлении, а коллекторный контакт - в обратном. Поток электронов контролируется таким же образом. Входной ток - это базовый ток I B, а выходной ток - это ток эмиттера I E.

Коэффициент усиления тока (γ)

Отношение изменения тока эмиттера ($ \ Delta {I_ {E}} $) к изменению базового тока ($ \ Delta {I_ {B}} $) известно как коэффициент усиления тока в конфигурации с общим коллектором (CC) , Обозначается через γ .

$$ \ Gamma \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {Е}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

  • Коэффициент усиления по току в конфигурации CC такой же, как в конфигурации CE.

  • Усиление напряжения в конфигурации CC всегда меньше 1.

Связь между γ и α

Попробуем нарисовать некоторую связь между γ и α

$$ \ Gamma \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {Е}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

$$ \ альфа \: = \: \ гидроразрыва {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {Е}}} $$

$$ I_ {Е} \: = \: I_ {B}, \ + \: I_ {C}, $$

$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$

$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$

Подставляя значение I B , получаем

$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {E}} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$

Деление на $ \ Delta I_ {E} $

$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$

$$ \ гидроразрыва {1} {1 \: - \: \ альфа} $$

$$ \ Gamma \: = \: \ гидроразрыва {1} {1 \: - \: \ альфа} $$

Выражение для тока коллектора

Мы знаем

$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} \: = \: I_ {B} \: + \: (\ alpha I_ {E} \: + \: I_ {СВО}) $$

$$ I_ {Е} (1 \: - \: \ альфа) \: = \: I_ {B}, \ + \: I_ {СВО} $$

$$ I_ {Е} \: = \: \ гидроразрыва {I_ {B}, {1} \: - \: \ альфа} \ + \: \ гидроразрыва {I_ {СВО}} {1 \: - \: \ альфа} $$

$$ I_ {C}, \: \ Cong \: I_ {Е} \: = \: (\ бета \ + \: 1) I_ {B}, \ + \: (\ бета \ + \: 1) I_ {СВО} $$

Выше приведено выражение для тока коллектора.

Характеристики конфигурации CC

  • Эта конфигурация обеспечивает усиление по току, но без усиления по напряжению.

  • В конфигурации CC входное сопротивление высокое, а выходное сопротивление низкое.

  • Усиление напряжения, обеспечиваемое этой схемой, составляет менее 1.

  • Сумма тока коллектора и тока базы равна току эмиттера.

  • Входные и выходные сигналы находятся в фазе.

  • Эта конфигурация работает как неинвертирующий выход усилителя.

  • Эта схема в основном используется для согласования импедансов. Это означает, что необходимо управлять нагрузкой с низким сопротивлением от источника с высоким сопротивлением.

Транзисторные регионы эксплуатации

Источник постоянного тока предназначен для работы транзистора. Этот источник постоянного тока подается на два PN перехода транзистора, который влияет на действия основных носителей в этих соединениях эмиттера и коллектора.

Соединения имеют прямое и обратное смещение в зависимости от нашего требования. Прямое смещение - это состояние, при котором положительное напряжение подается на р-тип, а отрицательное напряжение подается на материал n-типа. Обратное смещение - это условие, когда положительное напряжение подается на n-тип, а отрицательное напряжение подается на материал p-типа.

Транзистор смещения

Подача подходящего внешнего напряжения постоянного тока называется смещением . Для соединений эмиттера и коллектора транзистора выполняется прямое или обратное смещение. Эти методы смещения заставляют транзисторную схему работать в четырех видах областей, таких как активная область, область насыщения, область отсечки и обратная активная область (редко используется). Это понятно, если взглянуть на следующую таблицу.

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ КОЛЛЕКТОР СОЕДИНЕНИЯ РЕГИОН РАБОТЫ
Смещен в прямом направлении Смещен в прямом направлении Насыщенность региона
Смещен в прямом направлении Обратное смещение Активный регион
Обратное смещение Смещен в прямом направлении Обратная активная область
Обратное смещение Обратное смещение Регион отсечки

Среди этих областей обратная активная область, которая является инверсией активной области, не подходит ни для каких приложений и, следовательно, не используется.

Активный регион

Это область, в которой транзисторы имеют множество применений. Это также называется линейной областью . Транзистор, находясь в этом регионе, действует лучше как усилитель .

Активный регион

Эта область находится между насыщением и отсечкой. Транзистор работает в активной области, когда переход эмиттера смещен в прямом направлении, а переход коллектора - в обратном направлении. В активном состоянии ток коллектора в β раз больше базового тока, т.е.

$$ I_ {C} \: = \: \ beta I_ {B} $$

Где,

$ I_ {C} $ = ток коллектора

$ \ beta $ = коэффициент усиления тока

$ I_ {B} $ = базовый ток

Насыщенность региона

Это область, в которой транзистор ведет себя как замкнутый переключатель. Транзистор имеет эффект закорачивания коллектора и эмиттера. В этом режиме работы максимальный ток коллектора и эмиттера.

На рисунке ниже показан транзистор, работающий в области насыщения.

Регион насыщенности

Транзистор работает в области насыщения, когда соединения эмиттера и коллектора смещены в прямом направлении. Понятно, что в области насыщения транзистор ведет себя как замкнутый переключатель, можно сказать, что

$$ I_ {C} \: = \: I_ {E} $$

Где $ I_ {C} $ = ток коллектора и $ I_ {E} $ = ток эмиттера.

Регион отсечки

Это область, в которой транзистор ведет себя как открытый выключатель. Транзистор имеет эффект открытия коллектора и основания. В этом режиме работы токи коллектора, эмиттера и базы равны нулю.

На следующем рисунке показан транзистор, работающий в области среза.

Регион отсечения

Транзистор работает в области среза, когда оба соединения эмиттера и коллектора имеют обратное смещение. Как и в области отсечки, ток коллектора, ток эмиттера и токи базы равны нулю, мы можем записать как

$$ I_ {C}, \: = \: I_ {Е} \: = \: I_ {B}, \: = \: 0 $$

Где $ I_ {C} $ = ток коллектора, $ I_ {E} $ = ток эмиттера и $ I_ {B} $ = базовый ток.

Анализ линии нагрузки транзистора

До сих пор мы обсуждали различные области работы транзистора. Но среди всех этих областей мы обнаружили, что транзистор хорошо работает в активной области и, следовательно, он также называется линейной областью . Выходами транзистора являются ток коллектора и напряжение коллектора.

Выходные характеристики

При рассмотрении выходных характеристик транзистора кривая выглядит следующим образом для различных входных значений.

Выходные характеристики

На приведенном выше рисунке выходные характеристики показаны между током I C коллектора и напряжением V CE коллектора для различных значений базового тока I B. Они рассматриваются здесь для разных входных значений, чтобы получить разные выходные кривые.

Рабочая точка

Когда рассматривается значение максимально возможного тока коллектора, эта точка будет присутствовать на оси Y, которая является ничем иным, как точкой насыщения . Кроме того, когда рассматривается значение максимально возможного напряжения эмиттера коллектора, эта точка будет присутствовать на оси X, которая является точкой отсечки .

Когда рисуется линия, соединяющая эти две точки, такую линию можно назвать линией загрузки . Это называется так, как он символизирует выход при нагрузке. Эта линия, проведенная над кривой выходной характеристики, соприкасается в точке, называемой рабочей точкой .

Эта рабочая точка также называется точкой покоя или просто Q-точкой . Таких точек пересечения может быть много, но точка Q выбирается таким образом, что независимо от размаха сигнала переменного тока, транзистор остается в активной области. Это может быть лучше понято через рисунок ниже.

Рабочая точка

Линия нагрузки должна быть проведена, чтобы получить Q-точку. Транзистор действует как хороший усилитель, когда он находится в активной области, и когда он настроен на работу в точке Q, достигается точное усиление.

Достоверное усиление - это процесс получения полных порций входного сигнала за счет увеличения уровня сигнала. Это делается, когда на его вход подается сигнал переменного тока. Это обсуждается в учебнике УСИЛИТЕЛЕЙ.

Линия нагрузки постоянного тока

Когда на транзистор подается смещение, и на его вход не подается сигнал, линия нагрузки, проведенная в таком состоянии, может пониматься как состояние постоянного тока . Здесь не будет усиления, так как сигнал отсутствует. Схема будет такой, как показано ниже.

Линия нагрузки постоянного тока

Значение напряжения эмиттера коллектора в любой момент времени будет

$$ V_ {CE} \: = \: V_ {CC} \: - \: I_ {C} R_ {C} $$

Поскольку V CC и R C являются фиксированными значениями, приведенное выше является уравнением первой степени и, следовательно, будет представлять собой прямую линию выходных характеристик. Эта линия называется линией нагрузки постоянного тока . На рисунке ниже показана линия нагрузки постоянного тока.

Характеристики

Чтобы получить линию нагрузки, необходимо определить две конечные точки прямой. Пусть эти две точки будут A и B.

Чтобы получить

Когда напряжение эмиттера коллектора V CE = 0, ток коллектора максимален и равен V CC / R C. Это дает максимальное значение V CE . Это показано как

$$ V_ {CE} \: = \: V_ {CC} \: - \: I_ {C} R_ {C} $$

$$ 0 \: = \: V_ {CC} \: - \: I_ {C} R_ {C} $$

$$ I_ {C}, \: = \: \ гидроразрыва {V_ {CC}} {R_ {C}} $$

Это дает точку A (OA = V CC / R C ) на оси тока коллектора, показанной на рисунке выше.

Для получения B

Когда ток коллектора IC = 0, тогда напряжение эмиттера коллектора максимально и будет равно VCC. Это дает максимальное значение IC. Это показано как

$$ V_ {CE} \: = \: V_ {CC} \: - \: I_ {C} R_ {C} $$

$$ = \: V_ {CC} $$

(Так как я с = 0)

Это дает точку B, которая означает (OB = V CC ) на оси напряжения эмиттера коллектора, показанной на рисунке выше.

Следовательно, мы определили как насыщенность, так и точку отсечки и узнали, что линия нагрузки - это прямая линия. Таким образом, линия нагрузки постоянного тока может быть проведена.

Важность этой рабочей точки более понятна, когда на вход подается сигнал переменного тока. Это будет обсуждаться в учебнике УСИЛИТЕЛЕЙ.

Базовая электроника - типы транзисторов

Существует много типов транзисторов. Каждый транзистор специализируется на своем применении. Основная классификация заключается в следующем.

Типы Транзисторов

Основной транзистор - BJT, а FET - современная версия транзистора. Давайте посмотрим на BJT.

Биполярный переходной транзистор

Транзистор с биполярным переходом, кратко называемый BJT , называется так, поскольку он имеет два PN перехода для своей функции. Этот BJT - не что иное, как обычный транзистор. Имеет два типа конфигураций NPN и PNP . Обычно NPN-транзистор является предпочтительным для удобства. На следующем рисунке показано, как выглядит практичный BJT.

BJT

Типами BJT являются NPN и PNP транзисторы. Транзистор NPN сделан, помещая материал p-типа между двумя материалами n-типа. Транзистор PNP сделан, помещая материал n-типа между двумя материалами p-типа.

BJT - устройство, контролируемое током. Обычный транзистор, который мы обсуждали в предыдущих главах, подпадает под эту категорию. Функциональность, конфигурации и приложения одинаковы.

Полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой трехполюсное однополярное полупроводниковое устройство. Это устройство, управляемое напряжением, в отличие от транзистора с биполярным переходом. Основным преимуществом FET является то, что он имеет очень высокий входной импеданс, который составляет порядка мегаомов. Он имеет много преимуществ, таких как низкое энергопотребление, низкое тепловыделение, а полевые транзисторы являются высокоэффективными устройствами. На следующем рисунке показано, как выглядит практический FET.

FET

FET является однополярным устройством , что означает, что оно изготовлено с использованием материала p-типа или n-типа в качестве основной подложки. Следовательно, текущая проводимость полевого транзистора осуществляется либо электронами, либо дырками.

Особенности FET

Ниже приведены различные характеристики полевого транзистора.

  • Униполярный - Униполярный, поскольку дырки или электроны ответственны за проводимость.

  • Высокий входной импеданс - Входной ток в FET протекает из-за обратного смещения. Следовательно, он имеет высокий входной импеданс.

  • Устройство, управляемое напряжением. Поскольку выходное напряжение полевого транзистора контролируется входным напряжением затвора, полевое транзистор называется устройством, управляемым напряжением.

  • Низкий уровень шума - на пути проводимости отсутствуют соединения. Следовательно, шум ниже, чем в BJT.

  • Усиление характеризуется как трансдуктивность. Transconductance - это отношение изменения выходного тока к изменению входного напряжения.

  • Выходной импеданс полевого транзистора низкий.

Преимущества FET

Чтобы предпочесть FET, а не BJT, должно быть несколько преимуществ использования FET, а не BJT. Попробуем обобщить преимущества FET над BJT.

JFET BJT
Это однополярное устройство Это биполярное устройство
Устройство с питанием от напряжения Текущее управляемое устройство
Высокий входной импеданс Низкое входное сопротивление
Низкий уровень шума Высокий уровень шума
Лучшая термическая стабильность Меньшая термостойкость
Усиление характеризуется трансдуктивностью Усиление характеризуется усилением напряжения

Применение FET

  • FET используется в цепях для уменьшения эффекта нагрузки.

  • Полевые транзисторы используются во многих схемах, таких как буферный усилитель, осцилляторы с фазовым сдвигом и вольтметры.

FET Терминалы

Хотя FET - это трехконтактное устройство, они не совпадают с терминалами BJT. Три терминала FET - это ворота, источник и слив. Терминал источника в FET аналогичен эмиттеру в BJT, а Gate аналогичен базе и стоку в коллектор.

Символы FET для типов NPN и PNP показаны ниже.

FET Терминалы

Источник

  • Клемма источника в полевом транзисторе - это та, через которую несущие входят в канал.

  • Это аналогично выводу эмиттера в биполярном переходном транзисторе.

  • Терминал источника может быть обозначен как S.

  • Ток, поступающий в канал на терминале источника, обозначается как IS.

Ворота

  • Терминал затвора в полевом транзисторе играет ключевую роль в функции полевого транзистора, контролируя ток через канал.

  • Подавая внешнее напряжение на клемму затвора, можно контролировать ток через него.

  • Ворота - это комбинация двух внутренних клемм, которые сильно легированы.

  • Говорят, что проводимость канала модулируется терминалом затвора.

  • Это аналог базовой клеммы в биполярном соединительном транзисторе.

  • Терминал Gate может быть обозначен как G.

  • Ток, поступающий в канал на терминале Gate, обозначается как IG.

Сливной

  • Сливная клемма в полевом транзисторе - это та, через которую носители покидают канал.

  • Это аналогично клемме коллектора в биполярном соединительном транзисторе.

  • Напряжение стока к источнику обозначается как VDS.

  • Сливной терминал может быть обозначен как D.

  • Ток, покидающий канал на сливном терминале, обозначается как I D.

Типы FET

Есть два основных типа FETS. Это JFET и MOSFET. На следующем рисунке приведена дополнительная классификация полевых транзисторов.

Типы FET

В последующих главах мы подробно обсудим JFET и MOSFET.

Базовая электроника - JFET

JFET сокращенно обозначен как транзистор с полевым контактом . JFET так же, как обычный FET. Типами JFET являются N-канальный FET и P-канальный FET. Материал p-типа добавляют к подложке n-типа в полевом транзисторе с n-каналом, тогда как материал n-типа добавляют к подложке p-типа в полевом транзисторе с каналом. Следовательно, достаточно обсудить один тип FET, чтобы понять оба.

N-канальный FET

N-канальный полевой транзистор является наиболее часто используемым полевым транзистором. Для изготовления N-канального полевого транзистора взят узкий стержень из полупроводника N-типа, на котором материал P-типа образован диффузией на противоположных сторонах. Эти две стороны соединены, чтобы нарисовать единственное соединение для терминала ворот. Это можно понять из следующего рисунка.

FET

Эти два осаждения затвора (материалы p-типа) образуют два диода PN. Область между воротами называется каналом . Большинство перевозчиков проходят через этот канал. Следовательно, форма поперечного сечения FET понимается как следующий рисунок.

N-канальный FET

Омические контакты выполнены на двух концах полупроводниковой шины n-типа, которые образуют исток и сток. Клеммы истока и стока могут быть взаимозаменяемы.

Работа N-канального FET

Прежде чем приступить к работе полевого транзистора, необходимо понять, как формируются истощающие слои. Для этого предположим, что напряжение на клемме затвора, скажем, V GG, смещено в обратном направлении, тогда как напряжение на клемме стока, например, V DD , не приложено. Пусть это будет случай 1.

  • В случае 1 , когда V GG имеет обратное смещение и V DD не применяется, области истощения между слоями P и N имеют тенденцию к расширению. Это происходит, когда приложенное отрицательное напряжение притягивает отверстия от слоя p-типа к клемме затвора.

  • В случае 2 , когда применяется V DD (положительная клемма к стоку и отрицательная клемма к источнику), а V GG не применяется, электроны текут от источника к стоку, которые составляют ток I D стока .

Давайте теперь рассмотрим следующий рисунок, чтобы понять, что происходит, когда даются оба запаса.

N-Channel FET Operation

Подача питания на клемму затвора приводит к увеличению истощающего слоя, а напряжение на клемме стока позволяет току стока от источника к клемме стока. Предположим, что точка на выводе истока B, а точка на выводе стока A, тогда сопротивление канала будет таким, что падение напряжения на выводе A будет больше, чем падение напряжения на выводе B. Что означает,

V A > V B

Следовательно, падение напряжения происходит постепенно по всей длине канала. Таким образом, эффект обратного смещения сильнее на выводе стока, чем на выводе источника. Вот почему слой истощения имеет тенденцию проникать больше в канал в точке A, чем в точке B, когда применяются как V GG, так и V DD . На следующем рисунке это объясняется.

Поведение FET

Теперь, когда мы поняли поведение FET, давайте пройдемся по реальной операции FET.

Режим истощения

Поскольку ширина слоя истощения играет важную роль в работе полевого транзистора, подразумевается название режима истощения. У нас есть другой режим, называемый расширенным режимом работы, который будет обсуждаться при работе с MOSFET. Но JFET имеют только режим работы истощения .

Давайте рассмотрим, что между клеммами затвора и истока не приложен потенциал, а между стоком и истоком приложен потенциал V DD . Теперь ток I D течет от стока к клемме истока на максимуме, когда ширина канала больше. Пусть напряжение, подаваемое между затвором и клеммой V GG источника, является обратным смещением. Это увеличивает ширину истощения, как обсуждалось выше. По мере роста слоев поперечное сечение канала уменьшается и, следовательно, ток I D стока также уменьшается.

Когда этот ток стока дополнительно увеличивается, возникает стадия, когда оба обедненных слоя касаются друг друга и предотвращают протекание тока I D. Это ясно показано на следующем рисунке.

Режим истощения

Напряжение, при котором оба этих обедненных слоя буквально «соприкасаются», называется « напряжение снятия напряжения ». Указывается как VP. На этом этапе ток утечки буквально равен нулю. Следовательно, ток стока является функцией напряжения обратного смещения на затворе.

Поскольку напряжение затвора контролирует ток стока, полевой транзистор называется устройством, контролируемым напряжением . Это более понятно из кривой характеристик стока.

Сливные характеристики JFET

Попробуем обобщить функцию полевого транзистора, с помощью которой мы можем получить характеристическую кривую утечки полевого транзистора. Схема полевого транзистора для получения этих характеристик приведена ниже.

Характеристики слива JFET

Когда напряжение между затвором и истоком V GS равно нулю или они замкнуты, ток I D от источника к стоку также равен нулю, так как V DS не подается. Когда напряжение между стоком и истоком V DS увеличивается, ток I D тока от источника к стоку увеличивается. Это увеличение тока линейно до определенной точки A , известной как напряжение колена .

Терминалы затвора будут находиться в состоянии обратного смещения, и по мере увеличения I D области истощения имеют тенденцию к сжатию. Это сужение имеет неодинаковую длину, что приводит к смещению этих областей на стоке и дальше на стоке, что приводит к обрыву напряжения. Напряжение отсечки определяется как минимальное напряжение сток-исток, при котором ток стока приближается к постоянному значению (значению насыщения). Точка, в которой происходит это напряжение отключения, называется точкой отключения , обозначенной как B.

При дальнейшем увеличении V DS сопротивление канала также увеличивается таким образом, что I D практически остается постоянным. Область BC известна как область насыщения или область усилителя. Все это вместе с точками A, B и C показано на графике ниже.

N-канальная структура FET

Характеристики стока представлены для тока стока I D в зависимости от напряжения V DS стока для различных значений напряжения VGS затвора. Общие характеристики стока для таких различных входных напряжений приведены ниже.

Характеристики дренажных графиков

Поскольку отрицательное напряжение затвора контролирует ток стока, полевой транзистор называется устройством, управляемым напряжением. Характеристики стока указывают на производительность FET. Характеристики стока, приведенные выше, используются для получения значений сопротивления слива, коэффициента трансдуктивности и коэффициента усиления.

Базовая электроника - MOSFET

Полевые транзисторы имеют ряд недостатков, таких как высокое сопротивление стока, умеренное входное сопротивление и более медленная работа. Чтобы преодолеть эти недостатки, изобретен полевой МОП-транзистор.

MOSFET означает полевой транзистор на основе оксида кремния и кремния или полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника. Это также называется IGFET, что означает полевой транзистор с изолированным затвором. FET работает в режимах истощения и улучшения. На следующем рисунке показано, как выглядит практичный MOSFET.

МОП-транзистор

Строительство МОП-транзистора

Конструкция MOSFET немного похожа на FET. Оксидный слой наносится на подложку, к которой подключен вывод затвора. Этот оксидный слой действует как изолятор (sio 2 изолирует от подложки), и, следовательно, MOSFET имеет другое название IGFET. В конструкции MOSFET, слегка легированная подложка, рассеивается с сильно легированной областью. В зависимости от используемой подложки они называются MOSFET P-типа и N-типа .

На следующем рисунке показана конструкция MOSFET.

MOSFET Строительство

Напряжение на затворе контролирует работу MOSFET. В этом случае на затвор можно подавать как положительные, так и отрицательные напряжения, поскольку он изолирован от канала. При отрицательном напряжении смещения затвора он действует как истощающий МОП-транзистор, а при положительном напряжении смещения затвора он действует как полевой МОП-транзистор .

Классификация МОП-транзисторов

В зависимости от типа материалов, используемых в конструкции, и типа операции, полевые МОП-транзисторы классифицируются, как показано на следующем рисунке.

MOSFET классификация

После классификации давайте пройдемся по символам MOSFET.

N-канальные МОП-транзисторы просто называются NMOS . Символы для N-канального MOSFET приведены ниже.

N-канальный МОП-транзистор

МОП-транзисторы с P-каналом просто называются PMOS . Символы для P-канального MOSFET приведены ниже.

P-канал MOSFET

Теперь давайте рассмотрим конструкционные детали N-канального MOSFET. Обычно NChannel MOSFET рассматривается для объяснения, поскольку этот в основном используется. Также нет необходимости упоминать, что изучение одного типа объясняет и другое.

Строительство N-канального МОП-транзистора

Давайте рассмотрим N-канальный MOSFET, чтобы понять его работу. Используется слегка легированный субстрат P-типа, в который распространяются две сильно легированные области N-типа, которые действуют как исток и сток. Между этими двумя N + областями происходит диффузия с образованием N-канала, соединяющего сток и исток.

N-Channel MOSFET Строительство

Тонкий слой диоксида кремния (SiO 2 ) выращен по всей поверхности, и сделаны отверстия, чтобы нарисовать омические контакты для выводов стока и истока. Проводящий слой алюминия укладывают по всему каналу, на этот слой SiO 2 от истока до стока, который составляет затвор. Подложка SiO 2 соединена с общей или заземленной клеммой.

Из-за своей конструкции МОП-транзистор имеет гораздо меньшую площадь микросхемы, чем BJT, что составляет 5% занятости по сравнению с транзистором с биполярным переходом. Это устройство может работать в режимах. Это режимы истощения и улучшения. Давайте попробуем разобраться в деталях.

Работа N - канала (режим истощения) MOSFET

На данный момент у нас есть идея, что в этом случае нет PN-перехода между шлюзом и каналом, в отличие от FET. Можно также заметить, что диффузный канал N (между двумя областями N +), изолирующий диэлектрик SiO 2 и слой металлического алюминия затвора вместе образуют конденсатор с параллельными пластинами .

Если NMOS должен работать в режиме истощения, терминал затвора должен иметь отрицательный потенциал, а сток - положительный потенциал, как показано на следующем рисунке.

N-Channel МОП-транзистор работает

Когда между затвором и истоком не подается напряжение, часть тока течет из-за напряжения между стоком и истоком. Пусть некоторое отрицательное напряжение приложено к V GG . Затем неосновные носители, т.е. дырки, притягиваются и оседают вблизи слоя SiO 2 . Но большинство носителей, т. Е. Электроны, отталкиваются.

При некоторой величине отрицательного потенциала на V GG определенная величина тока I D стока протекает через исток к стоку. Когда этот отрицательный потенциал еще больше увеличивается, электроны истощаются, и ток I D уменьшается. Следовательно, чем больше отрицательное значение приложенного V GG , тем меньше будет значение тока стока I D.

Канал ближе к стоку становится более истощенным, чем у источника (как в FET), и поток тока уменьшается из-за этого эффекта. Следовательно, это называется режим обеднения MOSFET.

Работа N-канального МОП-транзистора (режим улучшения)

Тот же MOSFET может работать в режиме улучшения, если мы можем изменить полярности напряжения V GG . Итак, давайте рассмотрим MOSFET с напряжением затвора V GG положительным, как показано на следующем рисунке.

N-Channel MOSFET Enhancement

Когда между затвором и истоком не подается напряжение, часть тока течет из-за напряжения между стоком и истоком. Пусть на V GG подается некоторое положительное напряжение. Тогда неосновные носители, т.е. дырки, отталкиваются, а основные носители, т.е. электроны, притягиваются к слою SiO 2 .

При некоторой величине положительного потенциала на V GG определенная величина тока I D стока протекает через исток к стоку. Когда этот положительный потенциал дополнительно увеличивается, ток I D увеличивается из-за потока электронов из источника, и они продвигаются дальше из-за напряжения, приложенного к V GG . Следовательно, чем больше положительное значение приложенного V GG , тем больше будет значение тока стока I D. Поток тока усиливается за счет увеличения потока электронов лучше, чем в режиме обеднения. Следовательно, этот режим называется расширенным режимом MOSFET .

P - Канал МОП-транзистора

Конструкция и работа PMOS такие же, как у NMOS. Слегка легированный n-субстрат берется, в который диффундируют две сильно легированные P + области . Эти две области P + действуют как исток и сток. Тонкий слой SiO 2 выращивается на поверхности. В этом слое прорезаются отверстия для контакта с областями P +, как показано на следующем рисунке.

P-Channel

Работа PMOS

Когда клемме затвора дается отрицательный потенциал на V GG, чем напряжение истока V DD , то из-за присутствия областей P + ток отверстия увеличивается через диффузный P-канал, и PMOS работает в режиме улучшения .

Когда клемме затвора дается положительный потенциал на V GG, чем напряжение V DD стока , тогда из-за отталкивания происходит истощение, вследствие которого уменьшается ток. Таким образом, PMOS работает в режиме истощения . Хотя конструкция отличается, работа аналогична для обоих типов MOSFET. Следовательно, при изменении полярности напряжения оба типа могут использоваться в обоих режимах.

Это можно лучше понять, имея представление о кривой характеристик стока.

Характеристики слива

Характеристики стока МОП-транзистора отображаются между током стока I D и напряжением источника стока V DS . Характеристическая кривая, как показано ниже для разных значений входов.

Характеристики слива

Фактически, когда V DS увеличивается, ток стока I D должен увеличиваться, но из-за приложенного V GS ток стока контролируется на определенном уровне. Следовательно, ток затвора контролирует выходной ток стока.

Характеристики передачи

Передаточные характеристики определяют изменение значения V DS при изменении I D и V GS в режимах истощения и улучшения. Ниже приведена кривая передаточной характеристики для тока стока в зависимости от напряжения на затворе.

Характеристики передачи

Сравнение между BJT, FET и MOSFET

Теперь, когда мы обсудили все вышеперечисленные три, давайте попробуем сравнить некоторые их свойства.

УСЛОВИЯ BJT FET МОП-транзистор
Тип устройства Текущий контроль Напряжение контролируется Напряжение контролируемое
Текущий поток биполярный униполярный униполярный
терминалы Не взаимозаменяемы взаимозаменяемый взаимозаменяемый
Режимы работы Нет режимов Только режим истощения Оба режима повышения и истощения
Входное сопротивление Низкий Высоко Очень высоко
Выходное сопротивление умеренный умеренный Низкий
Рабочая скорость Низкий умеренный Высоко
Шум Высоко Низкий Низкий
Термостойкость Низкий Лучше Высоко

До сих пор мы обсуждали различные электронные компоненты и их типы, а также их конструкцию и работу. Все эти компоненты имеют различные применения в области электроники. Чтобы получить практические знания о том, как эти компоненты используются в практических схемах, обратитесь к руководству по электронным схемам.